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在研究VDSL調制技術過程中,眾多運營商對選取QAM還是DMT存在很大分歧。根據技術分析,采用QAM調制技術在系統功耗、抗噪聲性能和互操作性等方面具有更優(yōu)的性能,因而QAM技術是VDSL應用的最佳選擇,本文將對兩種方案的性能進行對比分析。
高速數字用戶線(VDSL)技術能在1500米距離內達到26Mbps的對稱數據率,在更短距離和非對稱應用中可以實現更高的數據率。其高速率特點可以為住宅用戶和企業(yè)客戶提供高速網絡連接和匯集業(yè)務。
在實現基于VDSL的連接之前,必須作出以下兩項選擇。首先,必須在以太網傳輸模式和異步傳輸(ATM)模式之間做出選擇；其次,還必須確定VDSL采用正交幅度調制(QAM)還是離散多音(DMT)技術。由于協議的選擇更多地取決于應用需求,因此并不能簡單地作出選擇,像區(qū)域頻譜的兼容性、噪聲容限、成本、互操作性和相對功耗這樣的因素都必須加以考慮。
盡管現有的非對稱DSL(ADSL)采用了DMT技術,但由于VDSL模型完全不同,因而DMT也不能簡單地無縫移植到VDSL應用中。為了在QAM和DMT之間作出明智選擇,設計工程師必須充分了解兩者之間的特點和差異。
VDSL技術
圖1中,VDSL在光纖到路邊或光纖到大樓應用中作為一種光纖延伸技術,在速率極高的骨干網與用戶端設備和/或集成接入設備之間起到了橋梁連接作用。此外,隨著在VDSL上提供以太網應用成為可能,電信運營商在實現全互聯網協議架構的同時,還能在商用LAN或整個校園網同10/40Gb以太廣域網之間實現互聯。
自QAM VDSL技術推出以來,在大部分新安裝的系統和網絡中,設備和業(yè)務提供商都可以自由地選擇傳輸協議。在各種協議中以太網是最常用的一種,能為終端用戶提供低成本的互聯并實現簡單、魯棒的即插即用VDSL解決方案。就每條鏈接而言,基于VDSL上的以太網的實現成本與基于ADSL上的ATM相當,這使得該技術在新的應用中引起了廣泛關注。此外,當VDSL作為現有的基于DSLAM的系統升級進行配置時,設備提供商和運營商將會認為ATM傳輸中較高的單鏈路成本是可以接受的。因此,傳輸協議的選擇取決于應用需求,而非技術本身。
正如在ETSI TS 10127002、ANSI 和ITU .1中所定義的一樣,VDSL標準定義了兩種可行的調制技術:單載波調制(QAM)和多載波調制(DMT)。QAM線編碼采用如圖2所示的4頻段分割結構。出于對業(yè)務靈活性的考慮,標準制訂組織規(guī)定了頻段分配計劃。雖然各個國家業(yè)務需求不盡相同,但在每個地區(qū),頻譜兼容性和頻帶規(guī)劃一致性必須合理有序,以滿足業(yè)務需要。
DMT將整個信道或頻帶分成帶寬為的子信道,并使每個子信道承載總載荷的一部分。DMT采用快速傅立葉變換(FFT)對數據進行調制,在全速率VDSL實現中可得到高達4,096個子載波,在大量的傳輸中子信道將并行處理。目前在所有的VDSL解決方案中都采用了QAM技術,在全球配置的端口數目已經超過兩百萬,支持4頻段標準的第三代和第四代QAM-VDSL芯片組目前也已面世。
QAM VDSL四年的推廣應用充分體現了該技術的優(yōu)越性能,以及在功耗和帶寬利用上的優(yōu)良性能。
QAM和DMT技術比較
QAM和DMT不僅在4頻段方案的實現上存在差異,而且在對其它關鍵性能的處理上也有所不同。QAM調制技術專注于VDSL信號的時域處理,考慮了線路上信號的串行和模擬特性,并對系統中的數字和模擬信號進行優(yōu)化。在采取措施解決POTS銅線所固有的噪聲和衰減之前,在線路的每一端的DMT頻域處理需要進行時域-頻域(IFFT/FFT)和串并數據流變換。如前所述, 基于VDSL的以太網的鏈接成本與 基于ADSL的ATM相當,因此,這樣的成本對于各種系統實現都具有一定的吸引力。
顯然,QAM和DMT都各具優(yōu)缺點,選擇何種方案取決于對現實條件以及特定應用和設備環(huán)境中實際問題的分析。因此,必須對以下6個影響性能的主要因素進行折衷考慮,包括突發(fā)噪聲、外部噪聲干擾、即插即用功能、功耗、帶寬利用率以及互操作性。
a. 噪聲問題
噪聲問題對任何xDSL技術都會產生影響。由于噪聲可能在一段時間內覆蓋有效信號,因此調制技術對突發(fā)噪聲的處理極為重要。QAM和DMT均采用了數據交織器和RS糾錯技術相結合的方案。與DMT交織器相比,QAM交織器在傳輸路徑上引入的延遲較小(略低于10毫秒),占用的存儲器也較少。
基于DMT的系統存在的主要問題是,持續(xù)時間為數十微秒的脈沖噪聲將使接收器中所有正被使用的子信道出現錯誤,并完全清除FFT字符,DMT系統必須能在整個FFT字符長度(而不僅僅是網絡中的脈沖長度)內防止噪聲的影響。VDSL標準規(guī)定噪聲保護的時間長度為500μs。在圖3中,250μs的DMT字符要求噪聲保護必須為3個DMT字符(即750μs),以滿足標準的要求。
這無疑將引入約10ms的額外延時和額外的交織器存儲空間。因此,即使很短的突發(fā)噪聲也可能清除一個DMT幀中的所有信息。但在QAM調制解調器中,這些突發(fā)噪聲的影響則很小,因為QAM字符的持續(xù)時間較短,通常低于1μs。噪聲敏感度以及更關鍵的噪聲阻抗將決定芯片解決方案或接入系統的性能,這是所有銅線xDSL技術共同存在的問題,并將隨頻率的增加而更為明顯。
VDSL采用了高達12MHz的頻率,因而其噪聲問題更突出。就其本身的特性而言,DMT信號具有比QAM信號更高的峰值,因此通常至少需要13位模數轉換,而QAM信號則只需要10或11位。這樣,模數轉換器需要截斷信號的峰值部分,這樣將在接收端產生錯誤,因此接收器必須采用RS算法檢驗并校正這些錯誤。由于RS代碼實現糾錯的能力有限,因此DMT信號在校正由傳輸側產生的錯誤時將占用大量資源,這使得RS碼校正噪聲錯誤的裕量很小。相反,采用QAM技術不存在這種問題,通過采用均衡處理,對于傳輸鏈路外部可能引入的噪聲具有較強的抗干擾性能。
當前信號處理技術和硅技術的快速發(fā)展有助于開發(fā)出具有較強魯棒性的均衡器,使QAM-VDSL調制解調器能工作于更苛刻的條件下,包括橋接抽頭以及來自同一電纜束中其它ADSL系統的自串擾干擾。
早在五年前當DMT成為ADSL標準調制技術時,支持者就已經顯示該技術需要較少的MIPS(每秒百萬條指令)處理能力即可實現類似的均衡處理。但是,隨著半導體技術的發(fā)展,MIPS預算不再受限,采用QAM技術需要更多的處理能力的問題不再存在。QAM技術采用隱含均衡(blind equalization)處理,這意味著無需訓練信號序列或握手信號。因此,基于QAM的系統大約需要100ms啟動操作。相反,DMT必須在線路上發(fā)送訓練序列,接收器根據接收的序列自行調整,然后返回信息至發(fā)送器并在所有的子信道中發(fā)布。因此,基于DMT的系統可能需要數秒時間才能啟動操作。
基于QAM的VDSL具有可在任何要求的業(yè)務中進行簡單即插即用鏈路配置的集成通信信道。采用QAM調制技術,用戶可以簡單地選擇與所需業(yè)務匹配的規(guī)格類型,并且鏈路可以自動配置。而DMT VDSL必須對用到的全部4,096個子信道進行參數交換,在VDSL頻率的高串擾環(huán)境下,單條DMT線路可能與其相鄰線路對某子信道的使用產生競爭。
b. 功耗問題
對于VDSL應用來說,功耗問題十分重要,通常要求系統設備具有較小的尺寸和功耗,較大的功耗將影響業(yè)務提供的可行性。DMT調制需要比QAM調制的模數/模數轉換器多1至2位,而AD/DA轉換器中每增加一位都將使功耗增大一倍。
同樣,DMT還需要更多的數字信號處理、存儲器和數據緩存資源來處理4,096個子信道,而所有的子信道都將產生一定的功耗。由于采用12位AD和DA轉換,4頻段QAM VDSL每端口的功耗為1.5瓦,而且不存在信號削峰的問題。QAM技術采用判定反饋均衡技術,在整個頻帶上對輸入信噪比(S/N)進行平均,而DMT只在每個子信道上對數據位進行平均。如圖4所示,子信道中信號最小的SNR值在虛線以下時,DMT將不能使用該子信道上信號。但對于QAM調制解調器,即使頻率的SNR值遠低于DMT設備實現正常性能所需的水平時,系統仍能正常地工作。
c. 互操作性
系統的互操作性也是影響其市場的一個關鍵因素,在這方面QAM VDSL技術具有優(yōu)勢,半導體供應商已經在各自的芯片組解決方案中實現了互操作性。
相反,DMT VDSL的互操作性則前景不明,因為很多的供應商尚未提供該技術方案。由于DMT是ADSL的標準線編碼技術,因此用戶端的現有ADSL上的ATM調制解調器仍然能同線路另一端基于ATM的DMT-VDSL調制解調器進行通信。
目前最常用的配置還是VDSL上的以太網與光纖互聯,而不是同配備ATM的DSLAM器件互聯。設備提供商和業(yè)務提供商將根據眾多的技術和商業(yè)因素進行決策。在這方面,QAM的功能、市場發(fā)展、快速而大量的系統安裝,以及其互操作性將使其成為真正意義上的銅線寬帶互聯技術。
作者:Steven Haas
COMAccess部產品行銷總裁
Infineon Technologies以色列公司
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