（通信与信息系统专业论文）56+kbps+modem技术研究与实现.pdf

摘要 摘要 m o d e r n 是数字信号在模拟线路上传输的关键设备。本文介 n t m o d e m 发 展过程，对各种调制方式的性能进行了比较，阐述了5 6 k b p sm o d e m 协议一包括 v 9 0 ：f 1 v 9 2 协议，并从系统设计角度分析t m o d e m 的各个组成模块。本设计电 路利用c o n e x a n t 公司的集成i cc x 0 6 8 2 7 为核心芯片，实现了v 9 0m o d e m 。最后 以单片机通过m o d e m 与p c 机远程通信的实例来说b j j m o d e m 在嵌入式系统中的应 用。 关键词：v 9 0 协议v 9 2 协议c x 0 6 8 2 7 嵌入式应用 a b s t r a c t a b s t r a c t m o d e mi st h ek e ye q u i p m e n tf o rd i g i t a ls i g n a lb e i n gt r a n s f e r r e do v e ra n a l o g c i r c l e t h et e x ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fm o d e ma n dc o m p a r e st h e p e r f o r m a n c eo fa 1 1s o r t so fm o d u l a t i n gp a t t e r n s ，a n de x p a t i a t e st h e 5 6 k b p sm o d e mp r o t o c o l ，i n c l u d i n gv 9 0p r o t o c o la n dv 9 2p r o t o c o l ，a n d a n a l y s e se a c hm o d u l eo fm o d e mf r o mt h ep o i n to ft h es y s t e md e s i g n t h e h a r d w a r em a k e su s eo ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i tc x 0 6 8 2 7a st h ec o r eo f d e s i g na n di m p l e m e n t st h ev 9 0m o d e m i nt h ee n dt h et e x tp r e s e n t sa n c o r l m l u n i c a t i n ge x a m p l eb e t w e e ns i n g l e c h i pa n dp e r s o n a lc o m p u t e rt h r o u g h m o d e mt oe x p l a i nt h ea p p l i c a t i o no fm o d e mi ne m b e d d e ds y s t e m k e yw o r d s ：v 9 0p r o t o c o l v 9 2p r o t o c o lc x 0 6 8 2 7e m b e d d e ds y s t e m i i 第1 章前言 第1 章前言 当今社会已进入信息时代。随着个人电脑的普及和i n t e r n e t 网络的飞速发 展，人们对于接入i n t e r n e t 网的要求越来越追切。目前接入技术的发展主要集 中在以下几个方面：高速模拟调制解调器，指5 6 k b p sv 9 xm o d e m ；速率在 6 4 k 。1 2 8 k b p s 的综合渡务数字稠( i s d n ) ；速率在6 4 0 k b p s 一8 m b p s 菲对称数 字用户线调制解调器( a d s l ) ；速率达3 0 m b p s 的线缆调制解调器( c a b l e m o d e m ) ；以及无线接入设备等。由予现有的公用交换电话阐( p s t n ) 是强前 规模最大、覆盏面积最广、发展最完善的通信方式，利用p s t n 接入i n t e m e t ， 无需熏新建设，是非常便乖j 和经济的。但是因为电话线是用于声音传输的，频 率宽度有限，仅为3 0 0 3 4 0 0 i - i z ，难以直接传输数字信号，由此产生的调制解 调技术即为了解决如何利用有限频带问题。据调森，尽管目前x d s l 技术炙手 可热，但大部分因特网用户仍然使用模拟m o d e m 拨号上网。据预测至2 0 0 4 年， 仍有5 5 的用户将使用援号方式上网。 1 。1m o d e m 发展概述 m o d e m 瓣最早磷究始于1 9 1 9 年，识是真正利用m o d e m 在模拟电话信道 上实现数据传输则是在5 0 年代中期。c c r i t ( 后更名为i t u t ) 在6 0 年代初 正式发表了关予m o d e m 豹第一个标准v 2 1 。之后，骧着技术的不断发震，r r u t 又相继推出了系列标准：v 2 3 、v 2 6 、v , 2 7 、v 2 9 、v 3 2 、v 3 2b i a s 、v 3 4 、v 3 4 b i a s 、v 9 0 、v 9 2 标准。每一个标准豹建立，都意味着m o d e m 鲍技术水平又达 到了一个新高度。1 9 6 4 年，c c r l t 首次推出最早的m o d e m 标准，即v 2 1 建议 公用交换电话羁中使用鲍标准亿3 0 0 b s 的双二 调剖解调器帮v 2 3 建 义一 一公用交换电话网中使用的标准化6 0 0 1 2 0 0 波特调制解调器。调制方案均采用 f s k ，未使用均衡技术。当时静硬件设计采震模拟分离元傍为主，只毒少量孀 于数据信号接口的电路采用了逻辑元件。随着技术的飞速发展，c c i t t 分别予 1 9 7 2 年和1 9 7 6 年毒l 定了v 2 6b i a s 建议公用交换电话网中经翔豹标准亿 河北大学工学硕士学位论文 2 4 0 0 1 2 0 0 b sm o d e m ；v 2 7 建议一一租用电话型电路上使用的标准化 4 8 0 0 2 4 0 0 b sm o d e m _ v 2 7 t e r 建议公用交换电话网中使用的标准化9 6 0 0 b s m o d e m 和v 2 9 建议点对点四线租用电话型电路上使用的标准化9 6 0 0 b s m o d e m 。v 2 9 建议中采用了自动自适应均衡技术及正交幅度调制( q a m ) 技 术，是m o d e m 技术发展中的一次飞跃。此时由于数字信号处理( d s p ) 和l s i 技术的发展，m o d e m 的硬件实现逐步走向采用“单片”集成电路i c 的电路， 使m o d e m 性能、体积、功耗和成本都得到极大的改善。随后c c i t t 分别于1 9 8 4 和1 9 9 1 年公布了v 3 2 和v 3 2b i s 建议公用交换电话网和租用话路上使用 的，以高达9 6 0 0 b s ( 1 4 4 k b n v 3 2 b i s ) 的数据传输速率操作的两线双工调制解 调器系列。v 3 2 建议引入了格状编码调制( t c m ) 和线路回波抵消两项新技术。 1 9 9 3 年c c i t t 公布了v - 3 4 建议，随后发布了v 3 4 b i s 建议，采用了大量新技术， 如四维格状编码技术、自适应预测编码、信道探测、星座映射成型等技术。传 输速率可达3 3 6 k b p s 。1 9 9 6 年i t u t 公布了v 9 0 协议标准。v 9 0 协议标准综 合了k 5 6 f l e x “协议( 由r o c k w e l l 公司和朗讯共同制定) 和x 2 技术( 由3 c o m 公司和u s r 公司共同开发) 以及其他5 6 k b p s 调和i 解调器技术。v 9 0 的传输 速率覆盖了2 4 0 0 - 5 6 0 0 0 b p s ，包含了以前所有的m o d e m 标准，能够与所有v 系 列标准的m o d e m 配对使用。v 9 0 还可以根据电话线路的特性自适应地调整传 输速率，当线路条件差时，它就逐步降低速率，直至线路能够满足要求；当线 路条件改善时，它又可以逐步提高速率，使线路上的传输速率能够达到最大。 2 0 0 0 年r r u t 发布了v 9 2 协议标准。v 9 2 采用v 4 4 压缩标准，在快速拨号连 接、m o d e m 在线及p c m 上行功能方面有增强的表现。 1 2 调制方式及其性能比较 m o d e m 调制方式分为多种形式：基本的数字调制方式；多进制调制方式； 特殊调制方式( 如o a m 、t c m 、p a m ) 等。 基本的调制方式包括幅移键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 、相移键控 ( p s k & d p s k ) 等。这种调制方式依靠载波的幅度、频率和相位的变化来携带 信息，每变化一次就相应表示1 比特的信息量，实现起来比较简单，但缺点是 第1 章前言 信息传输率低。v 2 1 、v 2 3 采用2 f s k 。 多进制调制方式信息传输率主要由两个因素决定：表征信息的载波信 号参数的变化率和这种变化率所代表的信息量的多少。而一般应用场合，载波 信号参数的变化受信道性能的限制，不能太快，否则将产生失真，因此只有使 载波参数的每次变化携带更多信息量，即采用多进制调制方式，包括多进制幅 移键控( m a s k ) 、多进制频移键控( m f s k ) 和多进制相移键控( m p s k ) 。在 这种调制方式中，载波参数随调制信息的变化可取m ( m = 2 。) 个值中的一个，这 种参数每变化一次可表示l 比特的调制信号信息，提高了信息传输率，但抗干 扰性降低了。v 2 6b i s 采用4 d p s k ，v 2 7 、v 2 7t e r 采用8 d p s k 。 q a m 调制调制信号对幅度和相位同时调制，这样保证每次参数变化 可表示较多的信息比特。另外通过更合适的安排参量状态，可使它们之间尽可 能保持最大距离。这种方式综合了a s k 和p s k 的优点，并通过多进制方式 ( m a s k 和m p s k ) 来提高频带利用率，可以显著改善性能，在提高信息传输 率的同时降低误码率。但是增加了调制解调设各的复杂性。v , 2 9 、v 3 2m o d e m 采用此类调制方式。 t c m 调制为提高传输可靠性，纠错解码技术被广泛采用。传统上调 制解调与纠错解码是两个独立的设备或部分来完成的。而t c m 将调制解调与 纠错解码组合成一个整体。其中心思想是：采用编码方法将信号空间作最佳分 割，使得已调信号矢量端点有最大距离，同时采用足够多的信号矢量以保证信 息传输速率。t c m 在q a m 的基础上更进一步降低了接收端误码率。v 3 2 、 v 3 2 b i s 、v 3 4 、v 3 4b i s 采用t c m 调制。 p a m 调制 脉冲幅度调制( p a m ) 是一种比较早的调制方式。i s d n 采用的是2 8 1 q 编码的4 电平p a m 技术，t 1 线路应用的是p a m 的另一种形 式一反转编码( a m i ) 。v 9 x 采用p a m 调制用于下行通道。此调制方式将在第 2 章中详述。 1 3v _ 8 4 理论极限 根据信息论中仙农( s h a n n o n ) 定理，带宽受限的信道信息传送速率存在 一个理论上限： 河北大学工学硕士学位论文 r = b l o g2 ( i + s n )( 1 ) 式中b 是信道带宽，s n 是信躁比。工程中一般采用d b 来表示信躁比 因此上式可表示为： r = bl o g2 ( 1 + 1 0 6 驯1 0 )( 2 ) v 3 4 采用对称连接方式，如下图。 v - 3 4 茬撮 由图可知，通信中的任何一方必须将数字信息转化为模拟信息。在局端， 进来的波形通过8 0 0 0 次秒的采样，每个样本是一个p c m 码。采样系统用到 2 5 6 个离散的8 比特的p c m 码。这些码字由数字网络送到另一端后，被c o 重 建为模拟波形。原来的模拟波形和被量化后重建的波形之间的差别就是量化躁 声。它限制了m o d e m 的最大传输速率。 目前电话局采用8 0 0 0 h z 的采样率，8 比特量化。对于线性量化器，量 化信躁比为： ， s q r = 1 7 2 + 6 0 2n - i - 2 0l gf 4 4m a x ) ( 3 ) 1 a 一信道中传送的信号电压： 2 a 。一量化器设计的最大电压值； 3 1 3 一量化比特数 令n = 8 ，a a 。= 1 2 ，得s q r = 4 3 。实际上a a 。，还要小，导致s q r 更 低。 信躁比( s n r ，s i g n a l t o n o i s er a t i o ) 即为信号功率与躁声功率之比。 它是衡量链路性能的一个指标。此值越高，就说明链路越干净，能够在其上传 输的数据越多。即使在最佳条件下，当一个信号经过模一数转换时，信躁比至多 也只有3 5 - 3 6 d b ，从而使得v 3 4 的实际速度限制在3 3 6 k b p s 以内。 v 3 4m o d e m 是为通信双方都是模拟m o d e m 的情况而优化设计的。即便 现在绝大部分电话交换网络都已数字化，但v 3 4 m o d e m 仍将之视为模拟的。 第1 章前言 这样做，无疑使得v 3 4m o d e m 很健壮，但是当一端是数字连接时，它的对称 结构使得它并没能刊用到所有有用带宽，因为v 3 4m o d e m 假定连接双方都邂 受了由模拟一数字转换器( a d c ) 引起的损失，从而使得速率受限在3 3 6 k b p s 。 1 4 5 6 k b p sm o d e m 原理及v 9 0 协议 般来讲，现在的电话网络中唯一的模拟部分是电话公司的电话总局连 接到每家用户沟那部分电话在过去的几十年中，电话公司已经往翔数字线 路连接替换掉了大部分模拟网络。但更换最慢的那部分网络一直是每家用户与 电话总局直接的连接。在今后相当长的时阔内，这部分连接仍可能是模拟线臻。 v 9 0 采用上下行通道不对称的连接方式。如下图。 v _ g 畸堂壤 由图可见，i s p 端采用数字m o d e m 南接与p s t n 相连，因而在下行通道 无须a d 转换，从焉镬一f 亍逶莲霹叛达到更裹携传输速度。这是5 6 k b p sm o d e m 的关键( 物质基础) 。而上行通道霾经过一个模数转换，从而受限于v 3 4 传输 速率。v 9 0 上行采爱与v 3 4 相间的q a m 调制，镥输速率霹达3 3 6 k b p s 。下行 采用p a m 调制，最高传输速率可达5 6 k b p s ，上下行不对称。 v 9 0 服务器端m o d e m 发送的数据是戳二进制数字豹形式在p s t n 上俦 输，必须以电话网的速率( 8 0 0 0 h z ) 向客户端的a d c 发送数据( 8 位次) 。这 意味若m o d e m 采样速度必须与亳话稠豹采样速度捅同( 8 0 0 0 h z ) 。 v 9 0m o d e m 连接。在握手序列中，v ：9 0m o d e m 对线路进行检测以确定 下行通道是否存在模一数转换。翔柒v 9 0 梭测到存在模数转换，它就以v 3 4 方式进行连接。当远端m o d e m 不支持v 9 0 协议时，v 9 0 模拟m o d e m 也尝试 建立一个v 3 4 连接。 v 9 0m o d e m 的任务就是鉴别2 5 6 个可能的电压，并将其还原为8 0 0 0 p c m 河北大学工学硕士学位论文 码秒。如果它真的能够作到这一点，则下载速度将接近6 4 k b p s ( 8 0 0 0 8 b i t c o d e ) 。侄事实证瞬仍有凡个闯蘧使传翁速度稍微降低。 首先，即使消除了网络的量化躁声背景，网络d a c 设备和线路回路仍会 给褰户端设餐带来一个速度雯漫豹蹂声背景。这个躁声是由各群棼线蛙失嶷弱 线路串扰引起的。 其次，网络数一模转换器( d a c ) 并不是线性转换器，西是按照各穆转换 规则( 北美为u 律，其他许多地方如欧洲、中国为a 律) 工作。结果就是，标 谈小电压的网络p c m 码将产生很小的d a c 输离电压台阶，两标识大电压豹网 络p c m 码将产生很大的d a c 输出电压台阶。 这两个阔蘧使得2 5 6 个离散p c m 妈无法全部被嗣用。因为此时接近予零 的各个d a c 输出电朕太过接近，使得在躁声回路中不能精确地表示它们所代 表的数据( 注：每个潮络p c m 码对应一个d a c 电压级爱) 。繇以v 9 0 编稻器 选用2 5 6 个代码的不同子集，以消除最易受躁声干扰的d a c 输出信号。例如 最可靠的1 2 8 级电基被用于5 6 k 速率；9 2 级电压被用于5 2 k 速率，等等。使用 较少的电压能提供更可靠的操作，但代价是传输率更低。 由上可知，v 9 0 需要满足如下条件： ( 1 ) 一端是数字线路连接v 9 0 连接的一端必须是数字线路，即“干线” 端递道化豹t 1 、i s d np r 班嫩i 线路。 ( 2 ) 两端都支持v 9 0 协议连接的两端，即客户端的模拟m o d e m 和主机 端的远程接入服务器或m o d e mp o o l ，都必须支持v 9 0 标准。 ( 3 ) 只进行一次模数转换在v 9 0 模拟m o d e m 和v ：9 0 数字m o d e m 间呼 喇通道所涉及的电话嘲中，只能有一次模数转换。 1 5v 9 2 协议 随着电讯技术的蓬勃发展，用户对m o d e m 的要求也越来越高。而现在 世界发达国家的电话线路都褥型了大幅度的改进。c o n e x a n t 公司( 原 r o c k w e l l 公司) 针对v 9 0 协议的种种不足进行了不断的改善，推出了新的 v 9 2 协议，并于2 0 0 0 年取雩寻了玎u 0 的认可。v 9 2 成为新一代m o d e m 协议的 第1 章前言 行业标准。v 9 2 和v 9 0 并没有本质的区别，v 9 2f 载最快速度仍是5 6 k b p s 。 僵是v , 9 2 畜许多增强兹表觋。 ( 1 ) 快速拨号连接( q u i c kc o n n e c t ) 通过公共交换电话网络( p s t n ) 拨号上嗣连接劐i n t e m e t 之翦，嗣户 必须和i s p 的m o d e m 建立连接。在拨号_ k n 时必须先建立p p p ( 点到点) 连接。 这需爱以下步骤： 首先，用户端m o d e m 拨号建立一条用户端与i s p 端m o d e m 连接的物 理线路。接着m o d e m 褥开始“摆手”，以便对受到削弱的模拟和数字信号进行 补偿，确定两者间最合适的连接速率。然后，建立一条无麓错的链路，最后主 机端的软件执行p p p 登陆协议。通常从拨号开始蠲登陆成功需要花费2 5 - 3 0 移 的时阅。为削减连接时问，v 9 2m o d e m 采取新快速连接功能。首先，用户在 接入当地i s p 的网络时需要建立一条模拟路径，并检验线路情况。硅l 予是在本 地的间一个网络里，每次连接的模拟路径性能参数相似。因此v 9 2m o d e m 把 这些相似路径的一些特征参数数字化后写进固化内存块里。随后客户端m o d e m 在与服务器m o d e m 连接时，客户端m o d e m 检验收到的应答并以此把网络情况 和储存的信息相对照。如果收到的信息和储存的相吻合，就可以进行快速连按 了；如果信息不匹配，则按照常规的v , 9 0 一样去避行连接。快速连接功能能 大大节省客户端m o d e m 和i s p 端m o d e m 握手时阔。这段时间将被缩短到1 0 s 左右。 ( 2 ) m o d e m 在线功能( m o d e mo nh o l d ，m o h ) m o h 功能能够让你在使鹰一部电话上鼹的圊眩接爨拨入静电话，或考 在上网的时候利用同一条线路打蹬电话，而不用象以前一样必须下网。当有电 话打进来时，屏幕会弹绺一个塞口显示毫话号码，你可以决定是否接听。 m o d e m 在线技术由以下几个功能部分组成： 接瞬呼入电话，此辩m o d e n 保拷在线状态； 不接听电话，继续上网； 接昕呼入鬯话，断开数据遥路； m o h 请求被远端拒绝，重新开始数据通信； m o h 谴求被远端拒绝，中断数据通信。 河北大学工学硕士学位论文 呼叫等待信号是从d p c m ( 服务器端) 到a p c m ( 客户端) 发出的。a p c m 是呼叫等待信号音引起的一个中断信号。客户端为了接收到来电显示的信息而 发出一个d t m f d 。通过这些，用户端决定是否想接受这个呼叫。在挂机之 前服务器端和客户端会进行协商这次通话时间最长能进行多久。如果客户端选 择接听电话，这时客户端将连接个声音的呼叫，并且d p c m 处于“o nh o l d ( 保持状态) ”。当用户接听完电话挂断后，m o d e m 通过快速连接功能与i s p 相 连。至于在上网时接听电话的过程能维持多久，则要看i s p 方设定。v 9 2 标准 本身允许时间范围从1 0 s 到无限长都可以。 ( 3 ) p c m 上行功能 p c m 上行在布局上与v 9 0 相似，但是p c m 上行技术并不象o c 和m o h 功能那样从根本上改变m o d e m 使用模式，她只是为那些需要相对称的数据传 送的服务器提供一些额外的用途。它可以把用户向服务器上传数据速率由v 9 0 的3 3 6 k b p s 提升到4 4 4 8 k b p s 。 ( 4 ) v 4 4 压缩标准 v 9 2 采用v 4 4 压缩标准。相较于过去v 4 2 b i s ( v 9 0 采用) 的文件压缩标 准，v 4 4 压缩格式对于经常在网络上流通的文件格式有更好的压缩率。当档案 压的愈小，相对的单位时间内可以传输的数据量也就愈多，其中v “对于w e b 页面( h t m l 文挡) 的压缩率大约比v 4 2 b i s 高出1 0 0 ，1 2 0 。 第2 章p a m 原理 第2 章p a m 贩理 掰滑泳冲摄疆调制，既是脉冲载波豹嚆度涎罄带售号交化的一秘调制方 式。由于真正的冲激脉冲串并不能实现，通常采用窄脉冲串作为p a m 载波。 调翻过程如图： m ( o 础2 - 剁皿j， ：m 5 ( 删 众- 脉冲载波s ( t ) 是由脉宽为f 秒，重复周期为t 秒的矩形脉冲串组成，其中t 是 按抽样定理确定的，印有t = 1 1 2 f h 秒。 s ( t ) = a d ，( t ) 86 - r ( t ) 求频域得 河北大学工学硕士学位论文 5 ) = 4 枷警孚函扣一以珏) = 芋勋曙) 舀扣一咒触) = 芈勋( 等) 卉沏一，z 触) = 芈肋。蝴) 函( 一知曲) 已调信号m ；( t ) 是m ( t ) 与s ( t ) 的乘积，即 m 。( t ) = m ( t ) s ( t ) = = = m s ( w ) a 争& o t t o ) m ( w 一2 n 一) m 。( t ) 的波形及频谱如图c 、d 所示。显然采用低通滤波器就可以从m s ( u ) 中滤出( 解调) 原频谱m ( 。o 其实，上面所讨论的p a m 方式，由于已调信号m 。( t ) n j “顶部”随着m ( t ) 变化，即在顶部保持了t o o ) 变化的规律，称之为自然取样。还有一种是“平顶” 的脉冲调幅，称为瞬时取样。 瞬时取样得到的已调信号如图( a ) 所示。每一抽样脉冲的幅度正比于瞬时抽 样值，但形状均相同。其产生原理如图( b ) 。首先将m ( t ) 与6t 相乘，形成理想 抽样信号，然后让它通过一个脉冲形成电路，其输出即为已调信号m n ( t ) 。 第2 章p a m 原理 m h ( 。) = m s ( u ) h ( u ) 而由抽样定理胁 ) = - 2 m ( c o 一2 n e o ) ， 所以胁扣) ； h ) m 扣一2 n ) a 由于m h ( u ) 是由h ( 。) 加权后的周期性重复的频谱m ( u ) 所组成，所以采 用低通滤波不能直接从m h ( o ) 中滤出所需信号，需要在 f 前用特性为1 h ( o ) 的网络加以修正解调原理如下图： 低 m s ( )通 1 h ( o ) ) _ ， 滤 波 器 此时m s ) = m u ) 志= 也m ( e o 一2 n 一) ，通过l p f 便能无失真恢复 m ( ) 。 河北大学工学硕士学位论文 第3 章5 6 k b p s m o d e m 系统设计 目前，比较流行的m o d e m 都是全数字结构的。只有a d 或d a 与模拟系 统连接，将模拟信号转化为数字信号或者反之。其余部分都全由d s p 进行处理。 这种结构的好处之一是大大简化了硬件系统设计，大部分工作由d s p 完成，让 软件代替庞杂的硬件，便于升级。另外，数字系统抗干扰能力，降躁声能力远 远优于模拟系统。本章试图从系统角度，对5 6 k b p sm o d e m 进行分析。 3 1 调制部分 3 1 1 调制部分框图 嘴吨，匝h ，侄雎 3 1 2 各部分说明 f 1 1 扰码 用户发出的数据信号在某些时间间隔内，数据信号可能具有明显的规律性， 如全1 、全“0 ”或某种简单序列的多次重复等。数据信号的这种周期性特 征对传输系统很不利。主要表现在：短周期重复的数据序列，其频谱中包含 大幅度的线谱，这种高电平的单音在经过调制器时，会由于这些线路的非线性 引起路际交调，形成相邻信道的串绕；数据传输系统所使用的定时信号常是 直接由数据波形中直接提取的。如果发送序列中出现长时间的全“1 ”、全“0 ” 或纯周期性序列，就可能由于接收信号中长时间没有电平变化，而使接收机提 取定时信息的滤波器输出信号电平降低到背景躁声之下，以致造成定时中断和 错误；当发送数据序列中出现全“0 ”时，接收端就会由于长时间没有波形， 第3 章5 6 k b p s m o d e m 系统设计 使自适应均衡器得不到必要的参数来估计响应参数，从而使抽头增益漂移，均 衡器离开最佳状态。 克服这些不利影响的有效方法是采用扰码器，主要功能是：当输入数据序 列出现周期性状态时，它能把这样的序列变换成比原周期长若干倍的长周期序 列。当输入序列全1 或全“o ”时，它能把这样的序列变换成伪随机序列， 利用产生m 序列的反馈移位寄存器可以组成一个具有自同步能力的基本扰码 器，并且经过基本扰码器处理的数据序列可以被相应解码器还原为用户数据序 列。 v 9 0m o d e m 规定了与v 3 4 相同的扰码器。在两个不同的传输方向上，使 用的扰码器不同。自同步扰码生成多项式： 呼叫方：g p c = 1 + x 1 8 + x 。2 3 应答方：g p a = i + x + x 2 3 ( 2 ) 帧分割 一个数据帧是包含6 个符号的结构体每个符号对应于一个时隙，标记为 0 5 。0 为第一个时隙。帧分割部分将扰码后的比特流d 个比特分成两组：b o - b “ 和s o - s 。m v 9 0 的帧结构为： 河北大学工学硕： 学位论文 + b o - b k - 1 经过后来的v 9 0 编码器，选择p c m 硝集里的相应码字，生成最终 p c m 粥字的幅度( 每帧6 个) 。而s o - s ，1 这s 个吃特生成p c m 码字的极性8o $ 5 。 ( 3 ) 编码器 摸缡码器每恢接受k 个比黪，由标号生成算法将其转换威六个标号，用 于选择星座点。标号生成算法为：i 用输入的k 比特生成一个整数 r o = b o + b l 2 1 + + b 梦一；i i 溺m o 去除r 。，余数为岛，商为r l ，用于下 一个操作，于是有：k i = r i m o d m ir = ( r rk i ) m ii = 0 5 ；i i ik o k 5 即为 模编码器的臻氆，硒对应于一姣中第一个时骧，& ；l u 对应予最嚣豹 于蹶。 映射器与帧结构的6 个时隙相对应有6 个独立的映射器，其码集的规模 相应为艇。一m 5 ，鼹它用刭个有m 个玛字组成豹玛集c i 。每个接收器接收k i 作为标号，从c i 中选择对应的码字构成u i ( 最终码字的幅度) 。六个磁从各自 第3 苹5 6 k b p s m o d e m 系统巷连计 的星瘘图中选攒输出6 个码字v i 。 极性生成器映射器产生的知识p c m 码的幅度值，要得到最终的p c m 码字， 还需要缀幢生成器产生约每数据犊6 个的极性。极性生成器有3 帮分组成：翻 分成型帧；差分编码；谱成型器生成极性位$ o 一55 。 樱据v 9 0 协议，s + s r = 6 ，s 是来自滗户的有厢数据，s f 是霞予谱成型舱 冗余比特。协议规定s 可以是3 、4 、5 、6 ，相应地s r 为3 、2 、1 、0 。不同的 s 帮s r 对应于不同的极性生成撅则。 i s = 6 ，s r = 0 此时谱成型被禁止。由s o - s s 生成p c m 码字兹极性位50 型85 ，差分编码 规则：$ i = s i 岳5 i - 1 0 i is = 5 ，s r = l ：s = 4 ，s r = 2 ：s = 3 ，s r = 3 对于s = 5 ，比特s o 到s 4 构成一个成型帧：对于s = 4 ，比特s o 到s 3 要分成 两个戒黧帧；对于s = 3 ，比特s 。裂s 2 要分成3 个成型帧。如下匿： d a t a f r a m es r = ls = 5s r = 2s = 4s r = 3s = 3 i n t e r v a l 0 p j ( o ) = op j ( o ) = 0p j ( o ) = 0 l e j o ) = s oe j ( a ) = s o p j ( 1 ) = s o 2 p j ( 2 ) = s lp j ( 2 ) = s 1耳l ( 0 ) = o 3 p j ( 3 ) = s 2r , j + l ( 0 ) = op j + 1 ( 1 ) = s l 4 p j ( 4 ) = s 3p j + 1 ( 1 ) = s 2 p j + 2 ( 0 ) = o 5 p j ( 5 ) = s 4p i + l ( 2 ) = s 3p j 十2 ( 1 ) = s 2 得到成型帧厢，其奇数号的比特还要进行一次簇分编码。 河北大学工学硕士学位论文 时隙 s r = ls = 5s r = 2s = 4s r = 3s - - 3 0 p j ( 0 ) = 0p j ( o ) = oe j ( o ) = o 1 p j ( 1 ) = p j ( 1 ) op j 一1 ( 5 )p j ( 1 ) = p j ( 1 ) op j f f l )p j ( 1 ) = p j ( 1 ) oe j 一1 ( 1 ) 2 p j ( 2 ) = p j ( 2 )p j ( 2 ) = p j ( 2 )p j “( 0 ) = 0 3 p j ( 3 ) = p j ( 3 ) op j 1 ( 1 )p j + 1 ( o ) = op j + l ( 1 ) = p j + 1 ( 1 ) op j ( 1 ) 4 p j ( 4 ) = p j ( 4 ) p j + 1 ( 1 ) = p j + l ( 1 ) o p j + 2 ( 0 ) = o p j ( 1 ) 5 p j ( 5 ) = p j ( 5 ) 。p j 一1 ( 3 )p j + i ( 2 ) = p j + 1 ( 2 )p j + 2 ( 1 ) = p j + 2 ( 1 ) op j + 1 ( 1 ) s o - s ，1 经过成型帧分割后，得到p j ( n ) ，送到差分编码器，进行第二次差分编码 ( k ) = p j ( k ) o 一1 ( k ) 。 生成初始的6 个极性位t j ( n ) ，送到谱成型器，得到最终极性位$ o $ 5 。 根据v 9 0 协议，用户端的谱成型滤波器为： 丁( z ) = 盖罴 a 1 、a 2 、b 1 、b 2 是绝对值小于等于1 的值，它们是在训练阶段由模拟m o d e m 决定的。服务器端m o d e m 采用的谱成型滤波器相应为： f ( z ) = 南= 面( 1 - b l 鬲z - 1 ) 瓦( 1 - b z 两z - 1 ) p c m 合成 由极性生成器得到最终极性8o 85 ，将它赋予对应的映射器的输出u o u 5 ， 组装为p c m 码p c m o - p c m s ，极性比特为0 代表负值，为1 则代表正值。 ( 4 ) 线性a 1 a w 以下是v 9 0 中p c m 码集中的码字所对应的a 律线性值。 码字a l a w 码字 a l a w 码字 a l a w 码字 a 1 a w 0 8 3 25 2 86 42 1 1 29 68 4 4 8 12 43 3 5 6 06 52 2 4 0 9 7 8 9 6 0 24 03 45 9 26 62 3 6 89 89 4 7 2 35 63 56 2 46 72 4 9 69 99 9 8 4 47 2 3 66 5 66 82 6 2 41 0 01 0 4 9 6 第3 章5 6 k b p s m o d e m 系统设计 58 83 76 8 86 92 7 5 21 0 11 1 0 0 8 61 0 43 87 2 07 02 8 8 01 0 21 1 5 2 0 71 2 03 97 5 27 1 3 0 0 81 0 3 1 2 0 3 2 8 1 3 64 07 8 47 23 1 3 61 0 41 2 5 4 4 91 5 24 18 1 67 33 2 6 41 0 51 3 0 5 6 1 01 6 84 28 4 87 43 3 9 21 0 61 3 5 6 8 1 11 8 44 38 8 07 53 5 2 01 0 71 4 0 8 0 1 22 0 04 49 1 27 63 6 4 81 0 81 4 5 9 2 1 32 1 64 59 4 47 73 7 7 61 0 91 5 1 0 4 1 42 3 2 4 6 9 7 6 7 83 9 0 4 1 1 01 5 6 1 6 1 52 4 8 4 71 0 0 87 9 4 0 3 2 1 1 1 1 6 1 2 8 1 62 6 44 81 0 5 68 04 2 2 41 1 21 6 8 9 6 1 72 8 0 4 91 1 2 08 14 4 8 01 1 3 1 7 9 2 0 1 82 9 65 01 1 8 48 24 7 3 61 1 41 8 9 4 4 1 93 1 25 11 2 4 88 34 9 9 21 1 51 9 9 6 8 2 03 2 85 21 3 1 28 45 2 4 81 1 62 0 9 9 2 2 13 4 45 31 3 7 68 55 5 0 41 1 72 2 0 1 6 2 23 6 05 41 4 4 08 65 7 6 01 1 82 3 0 4 0 2 33 7 65 51 5 0 48 76 0 1 61 1 92 4 0 6 4 2 43 9 25 61 5 6 88 86 2 7 21 2 02 5 0 8 8 2 54 0 85 71 6 3 28 96 5 2 81 2 12 6 1 1 2 2 6 4 2 4 5 81 6 9 69 06 7 8 41 2 22 7 1 3 6 2 74 4 05 91 7 6 09 17 0 4 01 2 32 8 1 6 0 2 84 5 66 01 8 2 49 2 7 2 9 61 2 42 9 1 8 4 2 94 7 26 11 8 8 89 37 5 5 21 2 53 0 2 0 8 3 04 8 86 21 9 5 29 47 8 0 81 2 63 1 2 3 2 3 15 0 46 32 0 1 69 58 0 6 41 2 73 2 2 5 6 1 7 河北大学工学硕士学位论文 3 2 解调部分 3 2 1 框图 解调部分框图如上图。其主要任务是针对调制部分的变换进行对应的反变换， 妇群鹚、孛贞重构、解挠等。要完成这些功能，接投机必须煮操炸补偿信道髂影 响和损失，以及获得码元的同步。 3 2 2 各部分说明 定时恢复定时倍号在m o d e m 通信中至关獯要，是m o d e m 正常工作的 必要条件，也是影响通信误码率的主要潮素之一。在现代m o d e m 设计中，主 流采用可控模拟前端，它以基本恒定的速率进行采样，然后利用d s p 对采样后 的数据进行处理，从中获褥定时的偏差。利用该偏差调整a d 采样的精确“摆 位”一即采样点时刻。定时校正算法有平方定时恢复算法，近最佳定时算法等。 均衡出于信道的幅度以及相位的非线性，使锝m o d e m 接收的采样样本 受到码间串扰影响。为提高通信质量，必须有滤波器来补偿信道的损失。通常 为一线性自适应横截滤波器，其系数由l m s 算法更新。 自动增益控制( a g c ) a g c 将输入的大动态的信号加以限定，使其输出 的电平在一个常数的量级。 第3 章5 6 k b p s m o d e m 系统设计 回波抵消使接收机滤除p s t n 的回波干扰，净化接收信号。通常也是 1 m s 自适应滤波器。 解码器由编码过程，相应得到解码器方框图。 其中帧解码器、反映射器、模译码器等均是编码部分的逆变换。不再详述。 解扰器同发送端。 河北大学工学硕士学位论文 第4 章硬件实现 传统的m o d e m 由分立元件实现，如早期的v , 2 xm o d e m 。随着大舰模集成 电路和数字信号处理技术的发展，m o d e m 的算法实现大致分两种方向：由集成 i c 完成大部分算法的硬件实现方法和在数字信号处理器平台( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x ) 上的纯软件实现方法。基于速度、可靠性、稳定性的考虑，我们采用集成i c 的硬件实现方法。这也是目前商用m o d e m 的主流实现方法。 4 。1 方案比较选择 溉然选定了硬件实现方法，其内部棱心集成i c 芯片的选择就显褥至关重要。 我们考察了i n t e l 和c o n e x a n t 两大公司的v 9 0 实现方案。 4 1 1i n t e lv 9 0m o d e m 方案 i n t e l 公司捺出的m d 5 6 6 x 系列芯片是实现5 6 kv 9 0 数据产终真，话音m o d e m 的核心芯片。其中基于m d 5 6 6 0 5 6 6 1 芯片的实现方案原理框图如下： t l p r i i g 一一一一一 豪谶 一一一一 2 端麟黼蝴黼猢 m 一一一一 鬏础连琰测煽一一撼 一一。 第4 章硬件实现 4 1 2c o n e x a n tv 9 0m o d e m 方案 c o n e x a n t 公司是m o d e m 芯片的主要提供商，在m o d e m 技术上一直居于领 先地位。在v 9 0 领域，c o n e x a n t 推出了数种i c 方案。其中以c x 8 8 1 6 8 、c x 0 6 8 2 7 芯片为代表。 基于c x 8 8 1 6 8 的m o d e m 实现原理框图如下 刮鎏耀 罱= 、 熟医： 1 一 c x 摹8 1 5 0 一啜玷 s | n 科c h i ；pm o d e m 1 3 钏 一 。拦刻 l 。一 1 2 a 列nt o f p 基于c x 0 6 8 2 7 的m o d e m 解决方案原理框图如下 1 潴”l ： 。 ji a 蚋l s 吲篇篇。 一 4 4 一| t o f p 猢一一w 蜘一* n 一， 褰。h 一 经过比较，可见c o n e x a n t 的c x 8 8 1 6 8 0 6 8 2 7 方案比i n t e l 的m d 5 6 6 x 方案集 成度更高，这意味着系统可靠性与稳定性的提高。所以选择c o n e x a n t 的方案。 而c x 8 8 1 6 8 的d a a 由c x 2 0 4 6 3 及一些隔离器件组成。经过实践，并不是很适 合中国的电话线路，效果不是很好( c o n e x a n t 公司中国代理处技术支持工程师 语) 。而c x 0 6 8 2 7 系统实现方案更加简洁。故选用了基于c x 0 6 8 2 7 核心芯片的 实现方案。 河北大学工学硕士学位论文 4 2 选定方案概述 4 2 1 总体结构 c o n c x a n 公司的s c 5 6 d 单片a c f 调制解调芯片既支持5 6 k b p s 数据传输 ( k 5 6 f l e x t m 协议或v 9 0 协议) ，逐支持1 4 4 k b p s 的模拟传真、电话应答、语啻 识别、与主机的并行或审行操作。这取决于它处于何种工作模式。 功能框图如下： c ) 0 嘲盯 d 电路 9 吲黯揣謦腑 缱咕 广氧西n 接