02-调制解调器和ADSL

1、2012年9月21日授课教师：鲁士文 1 中科院大学计算机网络硕士课程中科院大学计算机网络硕士课程 第第2 2单元单元 调制解调器和调制解调器和ADSLADSL 2012年9月21日授课教师：鲁士文 2 第第2 2单元单元 调制解调器和调制解调器和ADSLADSL 目录目录 2.1 2.1 调制解调器调制解调器 2.1.1 2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和信号失真问题 2.1.2 2.1.2 调制解调器的基本成分调制解调器的基本成分 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 2.2 2.2 ADSLADSL 2.2.1 ADSL2.2.1 ADSL接入网络的设备配置接入

2、网络的设备配置 2.2.2 ADSL2.2.2 ADSL调制技术和传输机制调制技术和传输机制 2.2.3 2.2.3 数字用户线接入复用器数字用户线接入复用器 2012年9月21日授课教师：鲁士文 3 第第2 2单元调制解调器和单元调制解调器和ADSLADSL n电话网络的本地回路使用双绞线电缆把用户电话连接到最近的电话端电话网络的本地回路使用双绞线电缆把用户电话连接到最近的电话端 局。用于话音的局。用于话音的本地回路本地回路具有具有4kHz4kHz的带宽，该带宽限制主要是由模拟的带宽，该带宽限制主要是由模拟 交换机的模拟接口电路所引起。根据香农关于信道容量的定理，传统交换机的模拟接口电路所引

3、起。根据香农关于信道容量的定理，传统 的调制解调器在一般环境下有一个大约的调制解调器在一般环境下有一个大约33.6kbps33.6kbps的数据速率限制；在的数据速率限制；在 通信的一方直接采用数字信号另一方采用模拟信号的不对称传输情况通信的一方直接采用数字信号另一方采用模拟信号的不对称传输情况 下，一个方向上的数据速率可以达到下，一个方向上的数据速率可以达到56kbps56kbps的最大值。的最大值。 n随着因特网应用的发展以及用户对更高速率的需求，电话公司为本地随着因特网应用的发展以及用户对更高速率的需求，电话公司为本地 回路开发了称作数字用户线的新技术，回路开发了称作数字用户线的新技术，

4、ADSLADSL就是其典型的代表，并得就是其典型的代表，并得 到了广泛的实施。到了广泛的实施。ADSLADSL不使用传统的电话交换机，不使用传统的电话交换机，可以在电话线路上可以在电话线路上 继续提供话音服务的同时，提供对因特网和其他网络的高速接入。继续提供话音服务的同时，提供对因特网和其他网络的高速接入。具具 体的数据速率跟线路的长度有关。按照体的数据速率跟线路的长度有关。按照ANSI T1.143ANSI T1.143规范，规范，ADSLADSL在传在传 输距离是输距离是2.72.73.7km3.7km时下行速率为时下行速率为6 68Mbps8Mbps，上行速率为，上行速率为1.5Mbps

5、1.5Mbps；在；在 传输距离是传输距离是4.54.55.5km5.5km时下行传输速率为时下行传输速率为1.5Mbps1.5Mbps，上行速率为，上行速率为64kbps64kbps。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 4 第第2 2单元单元 调制解调器和调制解调器和ADSLADSL n本章将在深入考察现有电话线路的传输特性的基本章将在深入考察现有电话线路的传输特性的基 础上讨论在模拟电话线路上传送数字信号的技术础上讨论在模拟电话线路上传送数字信号的技术 和相关的网络设备，涉及和相关的网络设备，涉及电话拨号接入方式电话拨号接入方式和和 ADSLADSL接入方式接入方式。两种方式都使用现有

6、的电话系统。两种方式都使用现有的电话系统 的双绞线本地回路，并且都采用调制解调器技术，的双绞线本地回路，并且都采用调制解调器技术， 但后者不受传统电话交换机低带宽滤波器的限制，但后者不受传统电话交换机低带宽滤波器的限制， 可通过频分多路复用实现宽带接入的目标。可通过频分多路复用实现宽带接入的目标。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 5 2.1 2.1 调制解调器调制解调器 n今天，尽管大多数通信载体公司都采用了全数字今天，尽管大多数通信载体公司都采用了全数字 化的传输设施，但模拟电话系统仍然是数据通信化的传输设施，但模拟电话系统仍然是数据通信 广泛使用的重要设施。由于终端和计算机产生数广泛

7、使用的重要设施。由于终端和计算机产生数 字脉冲，而电话线路的设计是面向模拟话音信号字脉冲，而电话线路的设计是面向模拟话音信号 的，因此，为了在这样的线路上传输数据，需要的，因此，为了在这样的线路上传输数据，需要 有一个设备有一个设备把终端和计算机的数字数据脉冲转换把终端和计算机的数字数据脉冲转换 成在电话线路上传输的模拟音调成在电话线路上传输的模拟音调。这样的一个设。这样的一个设 备就是调制解调器。备就是调制解调器。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 6 2.1 2.1 调制解调器调制解调器 n在其最基本的形式中，一个调制解调器，简称在其最基本的形式中，一个调制解调器，简称Modem Mo

8、dem (Modulator-Demodulator),(Modulator-Demodulator),由由一个电源、一个发送器和一个电源、一个发送器和 一个接收器构成一个接收器构成。电源电源提供运行提供运行ModemModem所需要的电压。在所需要的电压。在 发送器发送器中，调制器、放大器与过滤、整形和信号控制电中，调制器、放大器与过滤、整形和信号控制电 路一道工作，路一道工作，把数字直流脉冲转换成可以在电话线路上把数字直流脉冲转换成可以在电话线路上 传输的模拟信号传输的模拟信号。接收器接收器包含一个解调器和包含一个解调器和把模拟电话把模拟电话 信号转换成计算机或终端可接受的数字脉冲序列信号

9、转换成计算机或终端可接受的数字脉冲序列的相关的相关 电子器件。图电子器件。图2-12-1示出了这样的信号转换。示出了这样的信号转换。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 7 2.1 2.1 调制解调器调制解调器 2012年9月21日授课教师：鲁士文 8 2.1.1 2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和信号失真问题 n带宽带宽是对一个频率范围的宽度的测量，例如，是对一个频率范围的宽度的测量，例如，B=f2-f1B=f2-f1， 这里的这里的B B是带宽，是带宽，f2f2和和f1f1分别是在一个范围内的最高频分别是在一个范围内的最高频 率和最低频率。图率和最低频率。图2-22

10、-2示出了在与人耳可以听到的声音示出了在与人耳可以听到的声音 频谱相比较的电话通道的带宽。在这里用赫兹（频谱相比较的电话通道的带宽。在这里用赫兹（HzHz） 为单位表示每秒周期数。为单位表示每秒周期数。 n形成电话通道的形成电话通道的3000 Hz3000 Hz带宽通常称作带宽通常称作通道的通频带通道的通频带。 术语通频带指的是在允许一个预定范围的频率通过的术语通频带指的是在允许一个预定范围的频率通过的 频谱中一个连续的部分。因此，一个电话通道的通频频谱中一个连续的部分。因此，一个电话通道的通频 带允许在带允许在300300到到3300Hz3300Hz之间的频率通过。之间的频率通过。 2012

11、年9月21日授课教师：鲁士文 9 2.1.1 2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和信号失真问题 2012年9月21日授课教师：鲁士文 10 2.1.1 2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和信号失真问题 n电话通道取这样的通频带的理由是电话通道取这样的通频带的理由是经济性经济性。低于低于300 Hz300 Hz和高于和高于 3300Hz3300Hz的频率的频率对于理解电话会话基本上不是必需的，尽管在电话对于理解电话会话基本上不是必需的，尽管在电话 连接的另一端听不到讲话人的最高音。仅传送连接的另一端听不到讲话人的最高音。仅传送3kHz3kHz来代替人耳可来

12、代替人耳可 以听到的以听到的20kHz20kHz使得使得每个呼叫所需要的带宽减少大约每个呼叫所需要的带宽减少大约6 6的因子的因子。这。这 个带宽减少使得电话公司能够更有效地采用频分多路复用，个带宽减少使得电话公司能够更有效地采用频分多路复用，允许允许 在电话局之间的共享线路上同时运载更多个话音呼叫在电话局之间的共享线路上同时运载更多个话音呼叫。 n为了建立一个电话通道的通频带，电话公司为了建立一个电话通道的通频带，电话公司使用低通和高通滤波使用低通和高通滤波 器，仅允许低于一个预定频率的所有信号或高于一个预定频率的器，仅允许低于一个预定频率的所有信号或高于一个预定频率的 所有信号通过通道所有

13、信号通过通道。作为使用滤波器的结果，在滤波器操作的截。作为使用滤波器的结果，在滤波器操作的截 止频率附近的振幅止频率附近的振幅- -频率响应变成圆弧形，此后，响应曲线随着滤频率响应变成圆弧形，此后，响应曲线随着滤 波器的衰减变得显著而趋向大的负值。图波器的衰减变得显著而趋向大的负值。图2-32-3示出了在一个电话通示出了在一个电话通 道上是如何道上是如何使用滤波器来建立一个通频带使用滤波器来建立一个通频带的。的。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 11 2.1.1 2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和信号失真问题 2012年9月21日授课教师：鲁士文 12 2.1.1

14、2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和信号失真问题 n在理想的情况下，在一个电话通道的通频带上在理想的情况下，在一个电话通道的通频带上 所有的频率应该经历同样数量的衰减，就像在所有的频率应该经历同样数量的衰减，就像在 图图2-32-3中示出的在截止频率之间的直线那样。中示出的在截止频率之间的直线那样。 不幸的是，不幸的是，高频要比低频更快地减少强度高频要比低频更快地减少强度，使，使 得在频率向着通频带的端点增加时衰减增加。得在频率向着通频带的端点增加时衰减增加。 此外，此外，当接近通频带滤波器操作频率的边缘时当接近通频带滤波器操作频率的边缘时 衰减增加衰减增加。结果，表示电话

15、通道中信号衰减失。结果，表示电话通道中信号衰减失 真的振幅真的振幅- -频率响应就如图频率响应就如图2-42-4所示的那样。所示的那样。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 13 2.1.1 2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和信号失真问题 2012年9月21日授课教师：鲁士文 14 2.1.1 2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和信号失真问题 n为了把衰减失真的影响减到最小，一些为了把衰减失真的影响减到最小，一些 Modem中包括一个中包括一个衰减均衡器衰减均衡器。这种类型的。这种类型的 均衡器在通频带内均衡器在通频带内引入可随频率变化的增益，引入可

16、随频率变化的增益， 补偿高频和低频的差别补偿高频和低频的差别，也补偿在通频带边缘也补偿在通频带边缘 增加的衰减增加的衰减。图。图2-5示出了一个衰减均衡器的示出了一个衰减均衡器的 操作，它的作用操作，它的作用在通频带上产生接近均匀的信在通频带上产生接近均匀的信 号电平号电平。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 15 2.1.1 2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和信号失真问题 2012年9月21日授课教师：鲁士文 16 2.1.1 2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和信号失真问题 n影响从接收信号恢复信息的第二种类型的失真是影响从接收信号恢复信息的第

17、二种类型的失真是延迟失真延迟失真。在一个无失。在一个无失 真的通道中，所有频率以同样的速度通过通道，信号的频率和相位对时真的通道中，所有频率以同样的速度通过通道，信号的频率和相位对时 间具有恒定的线性关系，从而保证一个信号的发送不会干扰前一个已被间具有恒定的线性关系，从而保证一个信号的发送不会干扰前一个已被 发送的信号的接收。不幸的是，在现实中的所有通道都有一定程度的失发送的信号的接收。不幸的是，在现实中的所有通道都有一定程度的失 真。真。当失真发生时，在信号的相位和频率之间的关系变成非线性的当失真发生时，在信号的相位和频率之间的关系变成非线性的。 n在不同频率上测量延迟所得到的在不同频率上测

18、量延迟所得到的包络延迟包络延迟反映了相位相对于频率的曲线反映了相位相对于频率的曲线 的的斜率变化的程度斜率变化的程度。这种延迟变化是基于传输距离的改变。图。这种延迟变化是基于传输距离的改变。图2-62-6示出示出 了在电话通道上发送的信号的两个典型的了在电话通道上发送的信号的两个典型的延迟曲线延迟曲线，其中比较陡的曲线，其中比较陡的曲线 表示在比较长的距离的线路上的包络延迟（相对于比较平缓的曲线而表示在比较长的距离的线路上的包络延迟（相对于比较平缓的曲线而 言）。言）。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 17 2.1.1 2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和信号失真问题

19、 2012年9月21日授课教师：鲁士文 18 2.1.1 2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和信号失真问题 n为了说明包络延迟对通信的潜在影响，假定一个为了说明包络延迟对通信的潜在影响，假定一个ModemModem用两个音调之一用两个音调之一 发送：发送：f1f1表示二进制表示二进制0 0，f2f2表示二进制表示二进制1 1。这种调制方法称作频移键控。这种调制方法称作频移键控 （FSK: Frequency Shift KeyingFSK: Frequency Shift Keying）。由于）。由于不同的频率具有不同的延迟不同的频率具有不同的延迟， 现在存在着这样的可能，

20、当音调现在存在着这样的可能，当音调f1f1到达接收端到达接收端ModemModem时，表示不同二进时，表示不同二进 制值的音调制值的音调f2f2也同时到达了。这就也同时到达了。这就可能引起一个接收到的信号在时间上可能引起一个接收到的信号在时间上 跟第二个信号重叠跟第二个信号重叠，由一个音调引起另一个音调失真。，由一个音调引起另一个音调失真。 n虽然所有的通信线路都展示一定程度的延迟，但虽然所有的通信线路都展示一定程度的延迟，但重要的是扁平化通过通重要的是扁平化通过通 频带的延迟频带的延迟，以最小化一个信号音调重叠另一个音调的可能性。一些，以最小化一个信号音调重叠另一个音调的可能性。一些 Mod

21、emModem的设计的设计使用延迟均衡器使用延迟均衡器，引入跟电话通道所呈现的特征大约相反，引入跟电话通道所呈现的特征大约相反 的延迟。通过使用一个均衡器，在通频带内跟频率相关的延迟可以变成的延迟。通过使用一个均衡器，在通频带内跟频率相关的延迟可以变成 如图如图2-72-7所示那样相对扁平。这样做的结果是减少了一个音调干扰另一所示那样相对扁平。这样做的结果是减少了一个音调干扰另一 个音调的可能性，人们把这种干扰正式地称作个音调的可能性，人们把这种干扰正式地称作符号间干扰符号间干扰。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 19 2.1.1 2.1.1 话音线路的参数和信号失真问题话音线路的参数和

22、信号失真问题 2012年9月21日授课教师：鲁士文 20 2.1.2 2.1.2 调制解调器的基本成分调制解调器的基本成分 n图图2-82-8以方框图的形式示出了以方框图的形式示出了一个一个ModemModem的基本组成元素的基本组成元素，其中，其中， 图的上半部是跟图的上半部是跟发送器发送器相关的成分，图的下半部是跟相关的成分，图的下半部是跟接收器接收器相关相关 的成分。需要指出的是，图的成分。需要指出的是，图2-82-8表示的是一种表示的是一种通用的通用的ModemModem，用虚，用虚 线画出的那些成分仅适用于线画出的那些成分仅适用于同步设备同步设备。此外，为了把重点放到数。此外，为了把

23、重点放到数 据的调制和解调上，图中故意省略了诸如微处理器、据的调制和解调上，图中故意省略了诸如微处理器、ROMROM和和RAMRAM等等 为为ModemModem提供智能的其他成分。提供智能的其他成分。 nModemModem发送器发送器的关键成分包括的关键成分包括数据编码器、扰码器、调制器、放数据编码器、扰码器、调制器、放 大器、滤波器、时钟源和发送控制电路大器、滤波器、时钟源和发送控制电路。在这些成分中，扰码器。在这些成分中，扰码器 和由时钟源提供的发送时钟仅用于和由时钟源提供的发送时钟仅用于同步同步Modem(Modem(信号自带时钟信号自带时钟) )。 2012年9月21日授课教师：鲁

24、士文 21 2.1.2 2.1.2 调制解调器的基本成分调制解调器的基本成分 2012年9月21日授课教师：鲁士文 22 2.1.2 2.1.2 调制解调器的基本成分调制解调器的基本成分 n数据编码器数据编码器是一个选项，在许多是一个选项，在许多ModemModem中使用，中使用，使得每次信号变化可以使得每次信号变化可以 表示多于表示多于1 1位位的信息。的信息。 n同步同步ModemModem在在RS-232RS-232接口的接口的1515针和针和1717针上提供针上提供时钟信号时钟信号。当一个。当一个ModemModem 接收一个调制的同步数据流接收一个调制的同步数据流，并把调制后的数据传

25、递给附接的终端设，并把调制后的数据传递给附接的终端设 备时，它也给数据终端提供一个时钟信号。这个时钟信号由备时，它也给数据终端提供一个时钟信号。这个时钟信号由ModemModem从接从接 收的数据中产生，告诉终端设备什么时候在针收的数据中产生，告诉终端设备什么时候在针3 3（接收数据电路）上采（接收数据电路）上采 样。因此，样。因此，接收时钟信号接收时钟信号也常被称作衍生时钟信号，因为它是从接收也常被称作衍生时钟信号，因为它是从接收 的数据中产生的。的数据中产生的。 n为了让一个同步为了让一个同步ModemModem的接收时钟正确地起作用，必须使它保持跟接收的接收时钟正确地起作用，必须使它保持

26、跟接收 的数据同步。这就的数据同步。这就要求在数据组成中有足够数量的跳变要求在数据组成中有足够数量的跳变，从而允许接，从而允许接 收方收方ModemModem的电路从接收的数据取得定时信息。由于数据流可以由任意的电路从接收的数据取得定时信息。由于数据流可以由任意 的位组合模式构成，数据很可能随机地包含长串的的位组合模式构成，数据很可能随机地包含长串的0 0或长串的或长串的1 1。当发。当发 生这样的数据序列时，数据就不能给接收方提供时钟恢复所需要的足生这样的数据序列时，数据就不能给接收方提供时钟恢复所需要的足 够数量的信号跳变，这就是在同步够数量的信号跳变，这就是在同步ModemModem中结

27、合进中结合进扰码器扰码器的缘由。的缘由。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 23 2.1.2 2.1.2 调制解调器的基本成分调制解调器的基本成分 n扰码器扰码器根据预定的算法修改待调制的数据。这类算法通常使用一个根据预定的算法修改待调制的数据。这类算法通常使用一个 反馈移位寄存器实现，它检查位序列，修改其组成，保证每种可能反馈移位寄存器实现，它检查位序列，修改其组成，保证每种可能 的位组合都同样可能发生。在接收的位组合都同样可能发生。在接收ModemModem处，一个处，一个解扰器解扰器采用跟发送采用跟发送 方相反的算法过程，把数据恢复成原先的串行数据流。方相反的算法过程，把数据恢复成原

28、先的串行数据流。 n在本质上，扰码器的操作是为了使得数据看上去更加随机。我们可在本质上，扰码器的操作是为了使得数据看上去更加随机。我们可 以把以把扰码和解扰过程扰码和解扰过程用多项式来表示，例如取用多项式来表示，例如取多项式多项式 P=1+xP=1+x-3 -3+x +x-5 -5， ， 用它表示的二进制数据去除一个输入序列就产生被扰后的序列。在用它表示的二进制数据去除一个输入序列就产生被扰后的序列。在 接收器中将所收到的加扰信号乘以同一多项式即可恢复原始输入序接收器中将所收到的加扰信号乘以同一多项式即可恢复原始输入序 列。列。 图图2-92-9中，中，100101100101是多项式是多项式

29、P P所表示的二进制数据，输入序列是所表示的二进制数据，输入序列是 101010100000111101010100000111，被扰码后的发送序列是，被扰码后的发送序列是101110001101001101110001101001，它是，它是 输入除以输入除以P P（100101100101）的结果。当它再乘以）的结果。当它再乘以P P时，即可得到原始输入。时，即可得到原始输入。 我们可以看到，在输入序列中包含周期性序列我们可以看到，在输入序列中包含周期性序列101010101010和一个长串的和一个长串的0 0， 扰码器有效地把长串的扰码器有效地把长串的0 0消除了，消除了，使得连续使得连

30、续0 0的个数不超过的个数不超过3 3。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 24 2.1.2 2.1.2 调制解调器的基本成分调制解调器的基本成分 2012年9月21日授课教师：鲁士文 25 2.1.2 2.1.2 调制解调器的基本成分调制解调器的基本成分 n调制器调制器根据串行数据流改变根据串行数据流改变ModemModem放到通信线路上的载波的音调。放到通信线路上的载波的音调。 n放大器放大器提高将要在电话线路上传输的调制信号的电平，而提高将要在电话线路上传输的调制信号的电平，而滤波器滤波器限制限制 放到线路上的音调的频率。在接收端，从电话线路上接收到的信号被放到线路上的音调的频率。在

31、接收端，从电话线路上接收到的信号被 滤波滤波，消除由噪声引起的附加音调，消除由噪声引起的附加音调，然后再被放大然后再被放大，以提高接收信号，以提高接收信号 电平。电平。 n在图在图2-82-8中的中的ModemModem接收器部分示出的接收器部分示出的均衡器均衡器的作用是测量接收的模拟的作用是测量接收的模拟 信号的特征，并针对该信号进行自身调节，以信号的特征，并针对该信号进行自身调节，以尽量减少衰减和延迟对尽量减少衰减和延迟对 传送的信号的不同成分的影响传送的信号的不同成分的影响。为此，。为此，ModemModem的发送器在传送之前要发的发送器在传送之前要发 送一个短的训练信号。这个训练信号表

32、示对载波的一种预先定义的调送一个短的训练信号。这个训练信号表示对载波的一种预先定义的调 制，其理想的接收特征是为远方制，其理想的接收特征是为远方ModemModem接收器的均衡器所知的。因此，接收器的均衡器所知的。因此， 接收方接收方ModemModem将调节其均衡器，直到接收到可能的最好信号为止。将调节其均衡器，直到接收到可能的最好信号为止。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 26 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 n话音信号是音调和强度连续变化的图案。当话音信号被一个送话器转化话音信号是音调和强度连续变化的图案。当话音信号被一个送话器转化 成电信号时，它提供连续变化的电波。这个

33、电波匹配产生它的声音的压成电信号时，它提供连续变化的电波。这个电波匹配产生它的声音的压 力图案，被称作力图案，被称作模拟信号模拟信号，因为它相似于连续变化的声波。，因为它相似于连续变化的声波。 n在电话机和本地局交换机之间所传输的信号是采用在电话机和本地局交换机之间所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数模拟信号传输模拟数 据据的编码方式。模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。的编码方式。模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。载载 波本身是不传递任何信息的正弦波波本身是不传递任何信息的正弦波，但它的属性可以根据要传输的数据，但它的属性可以根据要传输的数据 改变。被传输的数据可以是模

34、拟的声音数据，也可以是计算机或终端产改变。被传输的数据可以是模拟的声音数据，也可以是计算机或终端产 生的数字数据，如果是后者，就被称作是生的数字数据，如果是后者，就被称作是模拟信号传输数字数据模拟信号传输数字数据的编码的编码 方式。方式。 n调制过程改变载波信号的属性调制过程改变载波信号的属性。由于载波是正弦波，它可以表示成。由于载波是正弦波，它可以表示成 a=Asin(2a=Asin(2 ft+ft+ ),),这里的这里的a a是在时间是在时间t t电压的瞬时值，电压的瞬时值，A A是最大振幅，是最大振幅，f f是是 频率，频率， 是相位。是相位。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 27

35、 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 n载波可以被改变的属性对于载波可以被改变的属性对于振幅调制振幅调制（AM: Amplitude AM: Amplitude ModulationModulation）是载波的振幅，对于）是载波的振幅，对于频率调制频率调制（FM: FM: Frequency ModulationFrequency Modulation）是载波的频率，对于）是载波的频率，对于相位调制相位调制 （PM: Phase ModulationPM: Phase Modulation）是载波的相角。）是载波的相角。 n振幅调制振幅调制最简单的方法是改变信号的振幅，用最简单的方法是

36、改变信号的振幅，用0 0电平表示电平表示 二进制二进制0 0，用一个固定的，用一个固定的峰值到峰值的电压峰值到峰值的电压表示二进制表示二进制1 1。 图图2-102-10示出的是使用振幅调制把一个数字流编码成一个示出的是使用振幅调制把一个数字流编码成一个 适当的模拟信号序列。虽然适当的模拟信号序列。虽然纯粹的振幅调制通常只用于纯粹的振幅调制通常只用于 非常低的数据速率非常低的数据速率，但它也，但它也跟相位调制结合跟相位调制结合普遍用于高普遍用于高 速数字数据流的调制。速数字数据流的调制。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 28 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 2012年9月21日

37、授课教师：鲁士文 29 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 n频率调制频率调制考虑的是在一个给定的振幅上信号如何频繁地自我重复。考虑的是在一个给定的振幅上信号如何频繁地自我重复。 它在数字领域最早的使用是在低速它在数字领域最早的使用是在低速ModemModem的设计中，当输入数据从的设计中，当输入数据从 二进制二进制1 1变成二进制变成二进制0 0或从二进制或从二进制0 0变成二进制变成二进制1 1时，发送器从一个时，发送器从一个 频率转变成另一个频率。这样的频移键控（频率转变成另一个频率。这样的频移键控（FSK: Frequency FSK: Frequency Shift Keyin

38、gShift Keying）主要适用于以全双工方式操作的数据速率最高达）主要适用于以全双工方式操作的数据速率最高达 300bps300bps的的ModemModem，以及以半双工方式操作的数据速率最高达，以及以半双工方式操作的数据速率最高达 1200bps1200bps的的ModemModem。图。图2-112-11示出了频率调制的信号波形。示出了频率调制的信号波形。 n贝尔系统贝尔系统103/113103/113型型ModemModem是最早使用频率调制的一个是最早使用频率调制的一个ModemModem产品实产品实 例。该例。该ModemModem工作在两种方式之一：始发或应答。始发方式工作

39、在两种方式之一：始发或应答。始发方式ModemModem 通常连接到一个发起呼叫的终端设备，而应答方式通常连接到一个发起呼叫的终端设备，而应答方式ModemModem通常连接通常连接 到在公用交换电话网上应答呼叫的计算机。到在公用交换电话网上应答呼叫的计算机。1170 Hz1170 Hz和和2125 Hz2125 Hz是是 该该ModemModem使用的两个中心频率使用的两个中心频率，通过，通过频率划分频率划分得到两个独立的数据得到两个独立的数据 通道，允许在通道，允许在两线两线的电话接入电路上进行全双工传输。的电话接入电路上进行全双工传输。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 30 2.1

40、.3 2.1.3 调制过程调制过程 2012年9月21日授课教师：鲁士文 31 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 n相位调制相位调制是针对是针对信号周期的开始位置改变载波信号信号周期的开始位置改变载波信号的的 过程（参见图过程（参见图2-122-12）。在）。在ModemModem中使用多种形式的相位中使用多种形式的相位 调制，包括单个位和多位的相移键控以及振幅调制和调制，包括单个位和多位的相移键控以及振幅调制和 相移键控的结合。相移键控的结合。 n在最简单的情况下，相位调制就是在最简单的情况下，相位调制就是在输入数据从二进在输入数据从二进 制制0 0变成二进制变成二进制1 1或从二进

41、制或从二进制1 1变成二进制变成二进制0 0时，把正弦时，把正弦 波的相位移动波的相位移动180180；否则，相位不变，即相移为；否则，相位不变，即相移为0 0；结；结 果产生如图果产生如图2-122-12所示的波形，它也就是所示的波形，它也就是一般意义上的一般意义上的 相移键控相移键控（PSK: Phase Shift KeyingPSK: Phase Shift Keying）。）。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 32 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 2012年9月21日授课教师：鲁士文 33 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 2012年9月21日授课教师：鲁士文

42、 34 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 n大多数大多数克服克服NyquistNyquist限制限制的实际方法都是通过的实际方法都是通过在每个信号在每个信号 跳变中放进更多的位跳变中放进更多的位来提高数据传输的速率，因此，来提高数据传输的速率，因此， ModemModem的设计常常结合使用多种调制技术。一种普遍采用的设计常常结合使用多种调制技术。一种普遍采用 的结合调制技术涉及的结合调制技术涉及振幅和相位调制振幅和相位调制，并被称为，并被称为正交振幅正交振幅 调制调制（QAM: Quadrature Amplitude ModulationQAM: Quadrature Amplitu

43、de Modulation）。）。QAMQAM 的首次实现有的首次实现有1212个相位值，在其中个相位上有两个振幅个相位值，在其中个相位上有两个振幅 值，共产生如图值，共产生如图2-142-14所示的所示的1616种可能的信号状态。早期在种可能的信号状态。早期在 市场上推出的贝尔系统市场上推出的贝尔系统209 Modem 209 Modem 就采用这种调制技术，就采用这种调制技术， 用用24002400波特的信号速率实现了波特的信号速率实现了9600bps9600bps的数据传输。的数据传输。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 35 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 2012年9月

44、21日授课教师：鲁士文 36 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 n除了结合两种调制技术，除了结合两种调制技术，QAMQAM跟先前讨论过的调制方法的另一个跟先前讨论过的调制方法的另一个 不同点是它使用了不同点是它使用了两个载波信号两个载波信号, ,即同相（即同相（IPIP: In-Phase: In-Phase）的）的余余 弦载波弦载波和作为正交成分和作为正交成分( (QCQC: Quadrature Component): Quadrature Component)的的正弦载波正弦载波， 并用不同的信号电平调制正弦波和余弦波的振幅；并用不同的信号电平调制正弦波和余弦波的振幅； 这也是这

45、也是QAMQAM的的 定义名称定义名称“正交幅度调制正交幅度调制” ” 的由来。因此的由来。因此QAMQAM是一种是一种双通道双通道调制调制 过程。过程。 n如果画出如图如果画出如图2-142-14所示那样的表示特定的所示那样的表示特定的QAMQAM中所有可能的数据中所有可能的数据 采样，那么所产生的点的序列就可以被看成是该调制技术的信号采样，那么所产生的点的序列就可以被看成是该调制技术的信号 结构。称呼这些点的另一个常用术语是结构。称呼这些点的另一个常用术语是星座图星座图。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 37 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 n实质上，实质上，QAMQAM是

46、是用两个独立的基带波形对用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波两个相互正交的同频载波进行进行 调制，利用这种信号在调制，利用这种信号在同一带宽内频谱正交同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的的性质来实现两路并行的 数字信息传输。数字信息传输。仍以仍以16QAM16QAM为例，要发送的为例，要发送的4 4比特信息被映射为星座图比特信息被映射为星座图 中的中的1616个点之一。对于个点之一。对于4 4比特信息来说，具有比特信息来说，具有1616个点的星座图中的每种个点的星座图中的每种 比特组合都可用比特组合都可用x-yx-y坐标系坐标系中的一个唯一的点来表示。每个中的一个唯一的点来表示。每

47、个4 4比特组合比特组合 所对应的所对应的x x和和y y值指定了将要在信道上发送的正弦波和余弦波的振幅值指定了将要在信道上发送的正弦波和余弦波的振幅。 在接收端，载波的正交性允许解调器对两路信息分别解调。检波器对在接收端，载波的正交性允许解调器对两路信息分别解调。检波器对 二维的复用信号进行检测，并将它们映射回比特数据流。二维的复用信号进行检测，并将它们映射回比特数据流。 n图图2-152-15示出了一个示出了一个采用采用QAMQAM的的ModemModem的发送器的发送器的简化方框图。编码器操的简化方框图。编码器操 作串行数据流的作串行数据流的4 4比特，并产生将要被调制的两个载波，即同相

48、的余弦比特，并产生将要被调制的两个载波，即同相的余弦 载波载波IPIP和作为正交成分的正弦载波和作为正交成分的正弦载波QCQC。然后，。然后，IPIP和和QCQC相加，产生传送相加，产生传送 信号，在信号，在x-x-y坐标中每个点表示对余弦载波和正弦载波的具体调制水准坐标中每个点表示对余弦载波和正弦载波的具体调制水准。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 38 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 2012年9月21日授课教师：鲁士文 39 2.1.3 2.1.3 调制过程调制过程 2012年9月21日授课教师：鲁士文 40 课间休息课间休息 2012年9月21日授课教师：鲁士文 41

49、2.2 ADSL2.2 ADSL nADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line, 不对称数字用户线不对称数字用户线）是一种利用现有的传统电话）是一种利用现有的传统电话 线路高速传输数字信息的技术。该技术将大部分线路高速传输数字信息的技术。该技术将大部分 带宽用来传输带宽用来传输下行信号下行信号（即用户从网上下载信（即用户从网上下载信 息），而只使用一小部分带宽来传输息），而只使用一小部分带宽来传输上行信号上行信号 （即用户向服务器上传的信息），这样就出现了（即用户向服务器上传的信息），这样就出现了 所谓不对称的传输模式。所谓不对称的传输模式。 2012年9月

50、21日授课教师：鲁士文 42 2.2 ADSL2.2 ADSL n电话线路接入电话线路接入Modem的数据速率被限制到一个较低水准的原因的数据速率被限制到一个较低水准的原因 是因为电话系统是为传送话音设计的，整个系统都针对这一目标是因为电话系统是为传送话音设计的，整个系统都针对这一目标 仔细优化，在本地回路终止的电话局一端，导线连进一个滤波器，仔细优化，在本地回路终止的电话局一端，导线连进一个滤波器， 该滤波器滤掉了低于该滤波器滤掉了低于300Hz和高于和高于3400Hz的所有频率。实际上，的所有频率。实际上， 截止不是陡然发生的，截止不是陡然发生的，300Hz和和3400Hz都是都是3dB点

51、，因此，虽点，因此，虽 然在这两个然在这两个3dB(10log10233)点之间的距离是点之间的距离是3100Hz，但通常，但通常 都把带宽说成是都把带宽说成是4000Hz。接入。接入Modem的数据传输也被限制到的数据传输也被限制到 这个这个窄的带宽窄的带宽。 nADSL把本地回路连接到不同的交换机，其中没有上述的过滤器，把本地回路连接到不同的交换机，其中没有上述的过滤器， 因此可以使用本地回路可提供的全部带宽，大约等于因此可以使用本地回路可提供的全部带宽，大约等于1.1MHz。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 43 2.2 ADSL2.2 ADSL n与传统传输技术相比，与传统传输技

52、术相比，ADSL是一种宽带调制解调器技术是一种宽带调制解调器技术。ADSL 系统可提供系统可提供3条信息通道条信息通道，即，即高速下行信道高速下行信道（从电话局到用户）、（从电话局到用户）、 上行信道上行信道（从用户到电话局）和（从用户到电话局）和普通电话业务信道普通电话业务信道。下行和上行。下行和上行 数字信号可与传统电话信号数字信号可与传统电话信号在同一对双绞线上共存在同一对双绞线上共存而不互相影响。而不互相影响。 现实的现实的ADSL可提供可提供1.5Mbps至至9Mbps的下行传输速率的下行传输速率，以及，以及 640kbps 至至1.536Mbps的上行传输速率的上行传输速率。具体的

53、数据速率跟线。具体的数据速率跟线 路的长度有关。按照路的长度有关。按照ANSI T1.143规范，规范，ADSL在传输在传输距离距离是是 2.73.7km时下行速率为时下行速率为68Mbps，上行速率为，上行速率为1.5Mbps； 在传输距离是在传输距离是4.55.5km时下行传输速率降为时下行传输速率降为1.5Mbps，上行，上行 速率为速率为64kbps。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 44 2.2.1 ADSL2.2.1 ADSL接入网络的设备配置接入网络的设备配置 nANSI的的ADSL标准标准采用称作离散多音频采用称作离散多音频（DMT, Discrete Multi-Ton

54、e）的线路编码技术的线路编码技术。如图。如图2-17 所示，所示，ADSL把在本地回路上可提供的把在本地回路上可提供的1.1MHz频谱划频谱划 分成分成256个独立的子通道个独立的子通道，每个子通道的带宽为，每个子通道的带宽为 4312.5Hz。子通道子通道0用于普通电话业务用于普通电话业务。为了保持模。为了保持模 拟话音信号和数字数据信号隔离，防止互相干扰，子拟话音信号和数字数据信号隔离，防止互相干扰，子 通道通道15不使用。在其余的不使用。在其余的250个子通道中，个子通道中，1个用于个用于 上行控制，上行控制，1个用于下行控制，剩下的个用于下行控制，剩下的248个子通道可个子通道可 用于

55、用户数据。用于用户数据。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 45 2.2.1 ADSL2.2.1 ADSL接入网络的设备配置接入网络的设备配置 2012年9月21日授课教师：鲁士文 46 2.2.1 ADSL2.2.1 ADSL接入网络的设备配置接入网络的设备配置 n原则上，原则上，250个子信道中的每一个都可用于全双工数据流，但由于谐个子信道中的每一个都可用于全双工数据流，但由于谐 波、噪音、串音和其他效应使得实际系统的带宽利用远小于理论限制波、噪音、串音和其他效应使得实际系统的带宽利用远小于理论限制 值。值。 n250个子信道中个子信道中(共共256个子信道个子信道,子通道子通道0用电

56、话，用电话，15作为隔离区不作为隔离区不 使用使用)子信道子信道6至至30用于用于上行数据上行数据传送和控制传送和控制。其中，。其中，1个子信道用于个子信道用于 控制，控制，24个子信道用于数据传输。如果有个子信道用于数据传输。如果有24个子信道，每个使用个子信道，每个使用 4kHz（来自（来自4312.5Hz的可用带宽），采用的可用带宽），采用QAM调制，每波特最多可调制，每波特最多可 调制调制15比特，即比特，即60kbps，那么在上行方向上可以有，那么在上行方向上可以有24400015 即即1.44Mbps的带宽的带宽。然而，在通常情况下速率都。然而，在通常情况下速率都低于低于500kb

57、ps，因，因 为一些载波因所在频率附近噪音大而被取消，也就是说，有一些子信为一些载波因所在频率附近噪音大而被取消，也就是说，有一些子信 道不能使用。道不能使用。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 47 2.2.1 ADSL2.2.1 ADSL接入网络的设备配置接入网络的设备配置 n子信道子信道31至至255（225个子信道）用于下行数据传送和控个子信道）用于下行数据传送和控 制制。其中，。其中，1个子信道用于控制，个子信道用于控制，224个子信道用于数据传个子信道用于数据传 输。如果有输。如果有224个子信道，每个使用个子信道，每个使用4kHz（来自（来自 4312.5Hz的可用带宽），采

58、用的可用带宽），采用QAM调制，每波特最多可调制，每波特最多可 调制调制15比特，即比特，即60kbps，那么在下行方向上可以有，那么在下行方向上可以有 224400015即即13.4Mbps的带宽的带宽。然而，在通常情。然而，在通常情 况下速率都况下速率都低于低于8Mbps，因为一些载波因所在频率附近噪，因为一些载波因所在频率附近噪 音大而被取消，也就是说，有一些子信道不能使用。音大而被取消，也就是说，有一些子信道不能使用。 2012年9月21日授课教师：鲁士文 48 2.2.1 ADSL2.2.1 ADSL接入网络的设备配置接入网络的设备配置 n图图2-18示出了典型的示出了典型的ADSL

59、设备配置。电话公司的技术员在用户室内设备配置。电话公司的技术员在用户室内 安装一个安装一个网络接口设备网络接口设备（NID）来在电信部门设备与用户室内设备之）来在电信部门设备与用户室内设备之 间提供隔离。这个小设备（也可以是包含它的另一个设备，例如分离间提供隔离。这个小设备（也可以是包含它的另一个设备，例如分离 器）标志电话公司设备的终点，也是器）标志电话公司设备的终点，也是客户设备客户设备的起始位置。紧挨着的起始位置。紧挨着 NID的是一个的是一个分离器分离器，它，它是一个模拟过滤器是一个模拟过滤器，把普通电话使用的把普通电话使用的 04000Hz频段跟数据频段分离开来频段跟数据频段分离开来

60、。电话信号被路由到现有的电话。电话信号被路由到现有的电话 机，数据信号被路由到一个机，数据信号被路由到一个ADSL Modem。ADSL Modem使用使用DMT 调制和解调调制和解调数据，建立下行和上行通道。数据，建立下行和上行通道。ADSL Modem实际上是一个实际上是一个 数字信号处理器，起着数字信号处理器，起着250个个QAM Modem的作用，并行地运行在不的作用，并行地运行在不 同的频率同的频率。由于现有的大多数。由于现有的大多数ADSL Modem都是外接设备，计算机必都是外接设备，计算机必 须通过高速端口连接到它，通常就是在计算机中插入一个以太网卡，须通过高速端口连接到它，通