计算机网络基础：非对称数字用户线技术

随着基于IP 的互联网在世界的普及应用，具有宽带特点的各种业务，如Web 浏览、远程教学、视频点播和电视会议等越来越受欢迎，这些业务除了具有宽带的特点外，还有一个特点就是上下行数据流量不对称，在这种情况下，一种采用频分复用方式实现上下行速率不对称的传输技术——非对称数字用户线（ADSL）由美国Bellcore 提出，并在1989年后得到迅速发展。

ADSL 系统与HDSL 系统一样，也是采用双绞铜钱对作为传输媒介，但ADSL 系统可以提供更高的传输速率，可向用户提供单向宽带业务、交互式综合数据业务和普通电话业务。ADSL 与HDSL 相比，其主要的优点是它只利用一对铜双绞线对就能实现宽带业务的传输，为只具有一对普通电话线但又希望具有宽带视像业务的分散用户提供服务。目前，现有的一对电话双绞线上能够支持9 Mb/s 的下行速率和640 kb/s 的上行速率。

1.ADSL 的调制技术

ADSL 先后采用多种调制技术，如正交幅度调制（QAM）、无载波幅度相位调制（CAP）和离散多音频（DMT）调制技术，其中，DMT 是ADSL 的标准线路编码，而QAM 和CAP还处于标准化阶段，因此下面主要介绍DMT 技术。

DMT 技术是一种多载波调制技术，它利用数字信号处理技术，根据铜线回路的衰减特性，自适应地调整参数，使误码和串音达到最小，从而使回路的通信容量最大。具体应用中，它把ADSL 分离器以外的可用带宽（10 kHz～1 MHz）划分为255 个带宽为4 kHz 的子信道，每个子信道相互独立，通过增加子信道的数目和每个子信道中承载的比特数目可以提高传输速率，即把输入数据自适应地分配到每个子信道上。如果某个子信道无法承载数据，就简单地关闭；对于能够承载传送数据的子信道，根据其瞬时特性，在一个码元包内传送数量不等的信息。这种动态分配数据的技术可有效提高频带平均传信率。

2.ADSL 的系统结构

（1）系统构成。ADSL 的系统构成如图8.14所示，它是在一对普通铜线两端各加装一台ADSL 局端设备和远端设备而构成的。它除了向用户提供一路普通电话业务外，还能向用户提供一个中速双工数据通信通道（速率可达576 kb/s）和一个高速单工下行数据传送通道（速率可达6～8 Mb/s）。

图8.14　ADSL 系统构成

ADSL 系统的核心是ADSL 收发信机（即局端机和远端机），其原理框图如图8.15所示。应当注意，局端的ADSL 收发信机结构与用户端的不同。

图8.15　ADSL 收发信机原理

局端ADSL 收发信机中的复用器（MUI）将下行高速数据与上行高速数据进行复接，经前向纠错（Forward Error Correction，FEC）编码后送发信单元进行调制处理，最后经线路耦合器送到铜线上；线路耦合器将来自铜线的上行数据信号分离出来，经接收单元解调和FEC解码处理，恢复上行中速数据；线路耦合器还完成普通电话业务（POTS）信号的收、发耦合。用户端ADSL 收发信机中的线路耦合器将来自铜线的下行数据信号分离出来，经接收单元解调和FEC 解码处理，送分路器（DMUI）进行分路处理，恢复出下行高速数据和上行中速数据，分别送给不同的终端设备。来自用户终端设备的上行数据经FEC 编码和发信单元的调制处理，通过线路耦合器送到铜线上。普通电话业务经线路耦合器进、出铜线。

中央交换局端模块包括在中心位置的ADSL Modem 和接入多路复用系统。处于中心位置的ADSL Modem 被称为ATU-C（ADSL Transmission Unit-Central），接入多路复用系统中心Modem 通常被组合成一个接入节点，该节点也被称为DSLAM（DSL Access Multiplexer）。

远端模块由用户ADSL Modem 和滤波器组成，如图8.16所示。用户ADSL Modem 通常被称为ATU-R。

图8.16　ADSL 终端连接图

（2）传输带宽。ADSL 基本上是运用频分复用（FDM）或回波抵消（EC）技术，将ADSL信号分割为多重信道。简单地说，一条ADSL 线路（一条ADSL 物理信道）可以分割为多条逻辑信道。

如图8.17所示为这两种技术对带宽的处理。由图8.17（a）可知，ADSL 系统是按FDM方式工作的。POTS 信道占据原来4 kHz 以下的电话频段，上行数字信道占据25～200 kHz的中间频段（约175 kHz），下行数字信道占据200 kHz～1.1 MHz 的高端频段。

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图8.17　ADSL 的带宽分割方式

频分复用法将带宽分为两部分，分别分配给上行方向的数据以及下行方向的数据使用。然后，再运用时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）技术将下载部分的带宽分为一个以上的高速次信道（AS0、ASl、AS2、AS3）和一个以上的低速次信道（LS0、LS1、LS2），上传部分的带宽分割为一个以上的低速信道（LS0、LS1、LS2，对应于下行方向），这些次信道的数目最多为7 个。

FDM 方式的缺点是下行信号占据的频带较宽，而铜线的衰减随频率的升高迅速增大，所以其传输距离有较大局限性。为了延长传输距离，需要压缩信号带宽。一种常用的方法是将高速下行数字信道与上行数字信道的频段重叠使用，两者之间的干扰用非对称回波抵消器予以消除。

由图8.17（b）可见，回波抵消技术是将上行带宽与下行带宽产生重叠，再以局部回波消除的方法将两个不同方向的传输带宽分离，这种技术也用在一些模拟调制解调器上。

美国国家标准学会（ANSI）T1.443 1998 规定，ADSL 的下行（载）速度须支持32 kb/s的倍数，从32 kb/s～6.144 Mb/s，上行（传）速度须支持16 kb/s 以及32 kb/s 的倍数，从32～640 kb/s。但现实的ADSL 最高则可提供约4.5～9 Mb/s 的下载传输速度，以及640 kb/s～1.536 Mb/s 的上传传输速度，视线路的长度而定，也就是从用户到网络服务提供商（Network Service Provider，NSP）的距离对传输的速度有绝对影响。ANSI T1.443 规定，ADSL 在传输距离为2.7 ～3.7 km 时，下行速率为6～8 Mb/s，上行速率为4.5 Mb/s（和铜线的规格有关）；在传输距离为4.5～5.5 km 时，下行数据速率降为4.5 Mb/s，上行速率为64 kb/s。

换句话说，实际传输速度需视线路的质量而定，从ADSL 的传输速率和传输距离上看，ADSL 都能够较好地满足目前用户接入Internet 的要求。这里所提出的数据是根据ADSL 论坛对传输速度与线路距离的规定而来的，其所使用的双绞电话线为AWG24 （线径为0.5 mm）铜线。为了降低用户的安装和使用费用，随后又制定了ADSL Lite，这个版本的ADSL 无须修改客户端的电话线路便可以为客户安装ADSL，但付出的代价是传输速率的下降。

ADSL 系统用于图像传输可以有多种选择，如 1～4 个 1.536 Mb/s 通路或 1～2 个3.072 Mb/s 通路，或1 个6.144 Mb/s 通路以及混合方式。其下行速率是传统T4 速率的4 倍，成本也低于T4 接入。通常，一个4.5/2 Mb/s 速率的通路除了可以传送MPEG-1（Moving Picture Expert Group-l）数字图像外，还可外加立体声信号。其图像质量可达录像机水平，传输距离可达5 km 左右。如果利用6.144 Mb/s 速率的通路，则可以传送一路MPEG-2 数字编码图像信号，其质量可达演播室水准，在0.5 mm 线径的铜线上传输距离可达3.6 km。有的厂家生产的ADSL 系统，还能提供8.192 Mb/s 下行速率通路和640 kb/s 双向速率通路，从而可支持2 个4 Mb/s 广播级质量的图像信号传送。当然，传输距离要比6.144Mb/s 通路减少15%左右。

ADSL 可非常灵活地提供带宽，网络服务提供商能以不同的配置包装销售ADSL 服务，通常为256 kb/s～1.536 Mb/s。当然也可以提供更高的速率，但仍是以上述的速率为主。事实上有很多厂商开发出来的ADSL 调制解调器都已超过8Mb/s 的下载速率以及1Mb/s 的上传速率。但无论如何，这些都是在一种理想的条件下测得的数据，实际上需要根据用户的电话线路质量而定，不过至少必须满足前面列出的标准才行。

另外，互联网络以及相配合的局域网也可改变这种接入网的结构。由于网络服务提供商已经了解到，第三层（L3）网络协议的Internet 协议（IP）掌握了现有的专用网和互联网，因此，它们必须建立接入网来支持Internet 协议；而网络服务提供商同时也察觉到第二层（L2）网络协议的异步转移模式（ATM）的潜力，可支持未来包括数据、视频、音频的混合式服务，以及服务质量（QoS）的管理（特别是在时延参数和延迟变化方面）。因此，ADSL 接入网将会沿着ATM 的多路复用和交换逐渐进化，以ATM 为主的网络将会改进传输IP 信息的效率，ADSL 论坛和ANSI 都已经将ATM 列入ADSL 的标准中。

3.影响ADSL 性能的因素

影响ADSL 系统性能的因素主要有以下几个：

（1）衰耗。衰耗是指在传输系统中，发射端发出的信号经过一定距离的传输后，其信号强度都会减弱。ADSL 传输信号的高频分量通过用户线时，衰减更为严重。例如，一个2.5 V的发送信号到达ADSL 接收机时，幅度仅能达到毫伏级。这种微弱信号很难保证可靠接收所需要的信噪比。因此，有必要进行附加编码。在ADSL 系统中，信号的衰耗同样与传输距离、传输线径以及信号所在的频率点有密切关系。传输距离越远，频率越高，其衰耗越大；线径越粗，传输距离越远，其衰耗越小，但所耗费的铜越多，投资也就越大。

现在，有些电信部门已经开始铺设0.6 mm 或直径更大的铜线，以提供速度更高的数据传输。在ADSL 实际应用中，衰耗值已经成为必须测试的内容，同时也是衡量线路质量好坏的重要因素。用户端设备与局端设备距离的增加而引起的衰耗加大，将直接导致传输速率的下降。在实际测量中，线间环阻无疑是衡量传输距离远近的重要参数。例如，在同等情况下，实际测得线间环阻为245 Ω时，其衰耗值为18 dB；线间环阻为556 Ω时，其衰耗值将增大到33 dB。

衰耗在所难免，但又不能一味通过增加发射功率来保证接收端信号的强度。随着功率的增加，串音等其他干扰对传输质量的影响也会加大，而且，还有可能干扰邻近无线电通信。对于各ADSL 生产厂家，一般其Modem 的衰耗适应范围为0～55 dB。

（2）反射干扰。桥接抽头是一种伸向某处的短线，非终接的抽头发射能量，降低信号的强度，并成为一个噪声源。从局端设备到用户，至少有两个接头（桥结点），每个接头的线径也会相应改变，再加上电缆损失等造成阻抗的突变会引起功率反射或反射波损耗。在语音通信中其表现是回声，而在ADSL 中复杂的调制方式很容易受到反射信号的干扰。目前大多数都采用回波抵消技术，但当信号经过多处反射后，回波抵消就变得几乎无效了。

（3）串音干扰。由于电容和电感的耦合，处于同一主干电缆中的双绞线发送器的发送信号可能会串入其他发送端或接收器，造成串音。一般分为近端串音和远端串音。

串音干扰发生于缠绕在一个束群中的线对间干扰。对于ADSL 线路来说，传输距离较长时，远端串音经过信道传输将产生较大的衰减，对线路影响较小，而近端串音一开始就干扰发送端，对线路影响较大。但传输距离较短时，远端串音造成的失真也很大，尤其是当一条电缆内的许多用户均传输这种高速信号时，干扰尤为显著，而且会限制这种系统的回波抵消设备的作用范围。此外，串音干扰作为频率的函数，随着频率升高增长很快。ADSL 使用的是高频信号，会产生严重后果。因而，在同一个主干上，最好不要有多条ADSL 线路或频率差不多的线路。

（4）噪声干扰。传输线路可能受到若干形式噪声干扰的影响，为达到有效的数据传输，应确保接收信号的强度、动态范围、信噪比在可接受的范围之内。噪声产生的原因很多，可能是家用电器的开关、电话摘机和挂机以及其他电动设备的运动等，这些突发的电磁波将会耦合到ADSL 线路中，引起突发错误。由于ADSL 是在普通电话线的低频语音上叠加高频数字信号，因而从电话公司到ADSL 分离器这段连接中，加入任何设备都将影响数据的正常传输，故在ADSL 分离器之前不要并接电话和加装电话防盗器等设备。目前，从电话公司接线盒到用户电话这段线很多都是平行线，这对ADSL 传输非常不利，大大降低了上网速率。例如，在同等情况下，使用双绞线下行速率可达到852 kb/s，而使用平行线下行速率只有633 kb/s。