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VDSL數據機硬體結構與軟體設計分析

上網時間: 2004年04月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:極高速數位用戶線  高速數位用戶線  不對稱數位用戶線  對稱高位速率數位用戶線  綜合業務數位網 

業界普遍認為‘下一代’對稱/不對稱DSL技術將是VDSL的天下,因為其傳輸距離短於不對稱的ADSL和對稱的SHDSL,但速率卻快得多。目前VDSL的下行速率從對稱的10/10Mbps到50/50Mbps,或者從不對稱的1Mbps到超過100Mbps。本文介紹VDSL數據機的硬體架構,並對軟體部份的設計進行了簡要分析。

VDSL比現有xDSL技術速率要高很多,這樣高的速率代價是傳輸距離受到限制,不對稱50Mbps下行速率的傳輸距離通常為500公尺,對稱10Mbps速率的傳輸距離為1,200公尺。現場應用中,實際速度一般為下行26Mbps和上行3Mbps。在市場需求驅動下,電信廠商還在朝速率加倍的方向發展。

消費者使用寬頻VDSL服務的主要原因包括:


* 提高基本的網際網路數據存取速度


* 下載音樂及視頻文件


* 提供線上教學及娛樂和遊戲服務


* 透過使用VoIP可減少長途通話費用


* 在一些亞太國家,VDSL服務的價格和ADSL相同,但頻寬有所增加

亞太地區的VDSL市場正強勁成長,尤其是在韓國,現有廠商KT和競爭者Hanaro都已經著手計畫用VDSL替代其ADSL線路。根據最近的一些調查,2003年出貨的VDSL埠或數據機已超過700萬個,而到2004年底會再增加大約1,200萬個,這使得VDSL成為電信領域成長最快的市場之一。

VDSL數據機

像其它數位傳輸技術一樣,VDSL從ISDN技術發展而來,它使用現有的銅電話線來發送和接收數位化數據,這與類比撥號數據機不同,類比和數位訊號之間的轉換靠數據機完成。

數據機將電腦或其它數位設備發出的數位訊號調變成類比訊號,以便在傳統的銅質雙絞線上傳輸,隨後再將接收到的類比訊號解調成數位訊號以便數位設備進行處理,數位設備可以是個人電腦、IP電話或者LAN交換器等。

VDSL數據機由三個部份組成(圖1):


* 數位收發器。用於安排保護數位數據輸入完整性以便進行傳輸,並可實現某種調變方案。數位收發器還包括一個用於管理和提高服務品質(QoS)功能的週邊設備控制模組。


* 類比前端(AFE)。它將數據從數位形式轉換成類比形式,並根據管理參數將類比數據流分為兩個廣播頻帶。


* 線路驅動器。用於隨後在電話線上發送數據。

因為數據機是雙向工作的,所以發送通路(Tx)和接收通路(Rx)之間必須有明顯的區別。除了線路驅動器以外,Rx通路包含了Tx通路所有的元件和功能,只是工作順序相反。

下面介紹Tx通路上的數據流,圖2是VDSL數據機中所用數位收發器結構框圖。

數位收發器

圖2清楚地顯示了Tx和Rx傳輸通路,以及組成數位收發器的四個功能模組。Tx通路通常包括:

* 用戶介面,即傳輸協定相關匯集子層(TPS-TC)模組。如英飛凌的數位收發器可提供各種乙太網路、ATM和PCM介面,適合於多種應用。標準的乙太網路介面支援10/100BaseT乙太網路MAC或PHY設備,它還支援10Mbps和100Mbps數據速率、全雙工和半雙工模式、全雙工模式下的802.3x流控制、半雙工模式下流控制所用的背壓(back pressure),以及除錯模式和SNMP或RMON統計計數器等。

* 實體媒質相關匯聚子層(PMS-TC)模組。它包括一個產生VDSL數據機所需隨機數的隨機數發生器,可生成統計均勻的位元流。PMS-TC還有三個附加功能,分別是:


1. 一個Reed Solomon前向糾錯(RS-FEC)編碼器,每個編碼字可以提供最多八個位元組校正的數據保護。


2. 保護有效荷載的卷積交錯。它可使數據不受脈衝噪音的干擾。


3. VDSL訊框。它提供VDSL訊框,包括用戶有效荷載和報頭插入。

* 實體媒介相關(PMD)模組,它包括調變、DAC功能和整個數位收發器AFE介面。幾乎所有商用VDSL系統都採用QAM調變方案,它由配置和控制暫存器的設置決定,這些暫存器是週邊設備控制模組的一部份。

* 週邊設備控制模組。它是指支援所有其它數據機所需的元件和功能,包括一個微控制器、用於緩衝功能的記憶體、用於儲存韌體應用程式的EEPROM,以及各種內部暫存器存取介面。

Rx通路的情況基本上與Tx通路相反,如在Tx通路中是數據調變,而在Rx通路中則是數據解調,其它以此類推。

類比前端與線路驅動器

VDSL數據機的設計工作頻率非常高,常常在非常不利的條件下工作。在上行方向,靠近機櫃的VDSL數據機會引起強烈的遠端串擾(FEXT),這時可用功率控制單元和功率補償機構小幅減少功率。電源管理功能可使數據機根據上下行傳輸之間的平衡性最佳化功率,同時減少相鄰線路間的FEXT。

在Rx通路將完成下面一些功能:


* 自動增益控制器(AGC)接收和放大兩通道訊號,ADC輸入端的訊號功率取決於傳輸線的長度,AGC把訊號調整到ADC輸入範圍,數位收發器內部處理器控制AGC電路。


* Rx訊號隨後通過一個類比通道均衡器(ACE),該通道對訊號高頻部份的衰減要多於對低頻部份的衰減,ACE靠提高傳輸頻率補償Rx訊號。


* Rx訊號在到達ADC及數位收發器之前,先由一個抗畸變濾波器進行處理。

類比前端還包括下列模組:


* 用於時脈生成和時序恢復的數控晶體定時裝置,它工作頻率的可能範圍在25MHz到38.88MHz之間,具體值和期望系統的配置有關。


* 濾波器調諧單元,該濾波器的工作模式取決於晶體頻率、可用的頻段以及位元速率。


* 喚醒裝置,它可使數據機進入功耗最小的睡眠模式,然後由來自中央數據機的喚醒訊號喚醒。

類比晶片上必須連接一個具有所需典型頻率的晶體,類比前端?有一個內部機構相當於電容器開關,能微調振盪器頻率,並與晶體一起構成數控晶體振盪器(DCXO)。

傳統上,針對每個特定設置,數據機的環境問題(迴路中的傳輸頻帶和位置)要靠專門設計濾波器來解決。無濾波器類比前端完全沒有傳輸和接收濾波器,而是連接到一個可自動匹配線路條件的外部自適應混合電路上。

速率自適應(RA)過程使一對數據機(LT和NT)根據線路條件來最佳化其配置,並為目前的線路條件選擇最好的方案。它需要考慮下面參數:


* 數據機侷限性


* 噪音分佈曲線


* 許可頻帶規劃


* 遠端自干擾

分析了這些參數之後,RA將選擇一個最穩定的配置,在RA暫存器規定的最大和最小值之間達到最高位元速率。當RA迴路檢測到一個壞連接(即錯誤連接,或根本沒有的連接)時,它就採用一個較短的迴路配置來獲得穩定連接,這樣可防止RA進入死循環。

圖3顯示了相應的線路驅動器,驅動器AMP1和AMP2作為電流反饋放大器,這種佈局的主要優點是具有較高上升速率以及可以獨立改變增益和頻帶。

軟體設計考慮

上面我們討論了VDSL數據機的各種硬體,但VDSL數據機為了實現通訊還必須具有許多軟體特性。VDSL軟體涉及連接管理、功率補償和速率自適應演算法,數據機的軟體或韌體程式儲存在EEPROM中。

當韌體載入並啟動後,數據機就開始正常執行,各種功能都可以使用,並能支援多種連接環境。數據機通過一個一次性引導連接過程,從局端(LT)數據機將韌體拷貝傳輸到終端用戶(NT)數據機上,基本連接設立以後,就會有許多標準可識別的連接狀態。

這種做法的設計思想是首先設立一個‘簡化連接’,也就是一個暫時連接,目的是設立更穩固的連接。其它的連接狀態包括:


* 默認連接。冷啟動後將設立一個默認連接。


* 目標連接。設立目標連接的目的是傳輸數據,它通過將目標配置設置成LT中的期望值進行確定。


* 空連接。空連接在不需要傳輸數據時仍保持連接,它支援VOC消息,但不用於數據傳輸。空連接可以傳輸低功率訊號,其定義類似簡化連接,但功率更低。

連接管理在LT和NT兩個層中進行(圖4),圖4中還顯示了‘連接狀態機’。

傳輸配置連接狀態機(圖5)由VDSL主單元進行定義,設計通過提供VDSL標準規定的服務和機制支援互通作業,包括:


* 冷啟動和熱啟動


* 轉為空連接或離開


* 狀態機使用的連接傳輸參數標準集(STP)


* 功率補償機制

LT連接管理層控制和配置連接狀態機,並設立用戶請求的目標連接,它還通過這個過程來控制NT和LT端的連接狀態機。NT端的連接狀態機作為從設備,通過VOC通道進行控制。NT連接管理層設置連接狀態機基本配置性能,它不需要動態控制任務,因為它在連接設立過程中是從設備。

NT連接管理層還可保持連接狀態機所用的傳輸配置。傳輸配置是若干預定義的連接配置集,每個配置由一個配置名和多個連接參數(如載波頻率、構象和符號率)組成。傳輸配置可使STP編程簡化,因為LT只需要為配置起名,而不用指定完整的連接參數組。傳輸配置保存在EEPROM中,可由用戶修改。

作者:Amnon Harpak


設計總監


英飛凌公司





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