VDSL：下一代的数字用户环路技术

VDSL：下一代的数字用户环路技术（潘亚涛、周宏、陈健）

摘要本文首先介绍了VDSL系统的相关规范，然后对系统的一些关键技术进行

了比较，最后介绍了VDSL的发展现状。

关键词 甚高速数字用户环路 线路编码 频分复用 时分复用

1前言

VDSL（甚高速数字用户环路）是一种在普通的短距离的电话铜线上最高

能以52Mbit／s合速率传输数据的技术，它的速度大大高于ADSL（非对称数字

用户环路）和Cable Medem（线缆调制解调器），相当于T3的数据传输速率。

它可以大大提高因特网的接入速度，提供本地不同区域网络之间的快速链接，

并可用来开展视频信息服务。

VDSL技术现在还处在研究阶段，本文首先介绍了VDSL的一些基本规范，

然后分析和比较了VDSL的几种调制技术和复用技术，最后介绍了VDSL的发展

现状。

2VDSL系统的规范

虽然VDSL的国际标准还在制定之中，电话公司通过参加美国的ANSI T

1.4和欧洲的ETSI TM6标准化小组已确定了VDSL的系统规范，主要包括数据

传输速率及下行上行速率比例、辐射抑制、功率话密度等方面。

ANSI和ETSI都要求支持对称和非对称的数据传输。ETSI把支持非对称和

对称数据传输速率的调制解调器分别归为ChasⅠ和ClassⅡ。ClassⅠ的最高

传输速率为 24 Mbit／S，规定的下行上行速率比例有6：1、3：1两种；Cl

asS Ⅱ的最高传输速率为36 Mbit／S。ANSI定义的非对称传输时最高速率为

52 Mbit／S，下行上行速率比例为8：1、4：1；对称传输模式下的数据传

输速率最高为 52 Mbit／s。

为了防止双绞线上的VDSL信号通过辐射对业余无线电频段产生干扰，AN

SI和EISI都规定了在业余无线电频段内VDSL调制解调器的发送功率话密度不

得高于-80dBM。ANSI和ETSI都规定VDSL系统的最大发送功率为11.5 dBm。

3VDSL的噪声环境

影响VDSL的噪声主要有串扰、无线电频率干扰和脉冲干扰。线缆的线束

中有很多对双绞线，由于无法实现完全的互相屏蔽，所以它们会相互耦合形

成串扰。在VDSL应用中，串扰有两种形式：NEXT（近端串扰）和FEXT（远端

串扰）。NEXT是本地接收机检测到了一个或多个本地发送机在其他线路上发

送的信号；FEXT是本地接收机检测到在其它频带中传输的一个或多个远端发

送机发送的信号。NEXT与线路长度无关，FEXT由于是耦合信号经过线路传输，

所以随着线路长度的增加而减小。在ADSL的应用中由于线路较长，所以FEXT

是次要的干扰，而在VDSL应用中FEXT则要严重的多。

与VDSL频带交迭的无线电信号会耦会到电话线上引起干扰，特别是具有

大功率和强频谱密度的调幅广播。调幅广播在VDSL频谱中的干扰表现为一个

从525KHz到1.61 MHz频带上的尖峰噪声信号。

脉冲噪声是一个瞬间能量脉冲，可以淹没传送的数据信号。由于在频域

其功率谱密度具有宽带的平坦特性，对系统损耗十分严重。为了消除脉冲噪

声，可以使用FEC（前向纠错）编码和数据交织相结合的方法。

4VDSL的线路编码

在双绞线上传输数字信号有两种技术可供选择：单载波调制和多载波调

制。

4.1单载波调制

单载波调制包括正交幅度调制（QAM）和无载波幅度相位（CAP）调制。

在应用单载波调制时，通过把连续的数个比特位映射成星座点来使比特流编

码成为符号。这些星座点经过调制、滤波在预先分配的信道带宽上进行传输。

信道会使发送的信号衰减并引起邻近符号的互相干扰，即产生符号间干

扰（ISI）。在接收端，用一个有限长度均衡器来减小ISI，以提高系统的性

能。均衡器恢复传输数据流的能力取决于多种因素，包括均衡器的类型、滤

波器的长度等。性能最优的均衡器是判决反馈均衡器（DFE），这是一种非

线性均衡器，使用两个滤波器和一个判决器来重建所需信号。DFE的缺点是

符号判决器产生的误差被反馈回去产生后续的残余ISI的预测，单个误差可

能会影响其后的多个信号的判决，引起错误扩散。

4.2多载波调制

离散多音（DMT）调制是一种典型的多载波调制方式，由于这种方式在

双绞线上传输数据有许多优点，它已在世界范围内被确定为ADSL的标准调制

方法。DMT发送器把一个信道划分为一组正交、独立的子信道，每一个子信

道随时进行SNR（信噪比）的检测。数据比特流被编码形成一组QAM的子符号，

每一个子符号都是由其相应的子信道中心频率点的SNR和系统所规定的错误

概率及传送比特率的要求来决定的。这组子符号先利用FFT（快速付里叶变

换）来实现IDFT（逆付里叶变换），然后输出样点附加上循环前缀以减少符

号间干扰，得到的时域样点经过数模变换后，送上传输信道。在接收端先经

过模数变换，然后去除前缀，再通过一个DFT把混有噪声的样点变换成频域

信号，DFT输出的信号经过FEQ（频域均衡）以补偿其子信道频率响应的幅度

和相位，然后经过解码器得到传送的数据比特流。与CAP/QAM系统相比，DMT

系统由于各子符号是独立地进行解码，不与其它任何符号相关，所以DMT系

统不会发生错误扩散的现象。

子信道的SNR是接收器通过数据驱动的方法来检测的。在检测到各子信

道的SNR后，接收机计算出各子信道最优比特分配方案。对于衰减信道，根

据测出的SNR的值来决定是否把部分或全部的比特位转移到其它能够支持增

加比特位传输的子信道，所需要的比特分配的变化则报告给发送器，由发送

器来具体完成。这个技术称为比特交换，它可以使系统在信道和噪声环境变

化时仍能达到最优的系统性能，在规定比特速率和错误概率的情况下用来提

供最大的噪声容限。

4.3CAP/QAM和DMT方案的比较

（1）在非理想信道环境下

单载波DFE接收器的性能是由前债和反馈滤波器的长度来决定的，在有

桥接配置的电话线这种有明显插入损耗的信道上，需要采用带有长度较长的

复杂滤波器的均衡器。在DMT方案中信道被划分成很多子信道，通过单个子

信道的SNR几乎是平坦的，由于桥接头的噪声电平引起的低SNR区域所覆盖的

子信道分配传送的比特数比具有较高SNR的子信道要少，另外DMT调制解调器

可以关闭那些衰耗太大不能用来传输数据的子信道，这样DMT系统能够在每

一个信道上达到其允许传输数据的最大值。

（2）抑制与业余无线电的相互干扰

为了在业余无线电带宽内限制发送的功率话密度不超过一80dBm／Hz，

CAP/QAM发送器必须为系统所覆盖的业余无线电频带生成一个槽口。在接收

端，DFE的前馈滤波器必须在相同的位置产生槽口，以抵抗业余无线电对VD

SL系统的辐射干扰，并且前债滤波器还必须为抵抗无线电广播信号的辐射干

扰产生附加精口。糟口是通过滤波器来产生的，随着槽口的数量和深度的增

加，滤波器的长度要增加，复杂度增大。DMT系统可以通过关闭与业余无线

电频带重叠的子信道来很好地满足在业余无线频带内功率话密度输出的严格

限制要求，并且由于信道被划分为狭窄子信道，所以对于调幅广播和业余无

线电这些一般涉及相邻几个子信道的噪声源，可以使用比特交换和自适应FE

Q来减弱这种干扰的影响。

（3）脉冲噪声的影响

以信道频带0－11.04MHz为例来说明， DMT将信道划分成256个子信道，

则每个子信道宽度是43.125 kHz，考虑到附加的循环前缀，符号速率为40KHz，

这样每个符号持续时间是25PS。而使用同样带宽的CAP/QAM系统符号速率为

11.04MHz，符号持续时间为90.6ns。如果信道中有一个宽度为5ps的脉冲干

扰，此干扰最多破坏单个DMT符号的1／5。在接收端，受干扰的DMT符号通过

DFT变换回到频域，脉冲干扰则扩散到所有DMT符号上。这个变换的实质是增

加了脉冲的有效持续时间，但是降低了它的功率。只要在DMT符号周期内平

均功率没有超过噪声容限，系统就不会出现检测误差。在采用 CAP／QAM系

统中，5PS脉冲干扰则破坏 了55个连续符号。在接收端CAP/QAM符号是依次

逐个地进行解码，只能依靠前向纠错码和交织来减少脉冲噪声的影响。由于

脉冲噪声在DFE中会引起错误扩散，所以DFE之后的前向纠错码的效能也就降

低了。

（4）对所需传输率的支持

因为CAP／QAM系统使用比单个DMT子信道宽得多的带宽来传输数据，CAP

／QAM系统能够支持的数据传输速率的步进间隔是不精细的。例如：系统使

用3MHz的带宽来传输数据，可以支持的最小的数据率的步进间隔是3Mbit／S，

这是在每个符号所代表的比特数增加1个的情况下得到的。如果需要10 Mbit

／s数据率，则必须采用每个符号4比特的12Mbit／s数据率的系统，浪费了

2Mbit／s的有效数据率。DMT系统由于信道被划分为较小的子信道，所有的

比特被独立地分配到这些子信道上，所以它可以提供较精细的间隔大小。间

隔大小是由于信道的宽度来决定的，如果系统使用32KHz宽度的子信道，那

么最小的比特速率的步进间隔即为32kbit／s。

（5）频谱兼容性

CAP／QAM方案可以只使用1.1MHz以上的频段，在这种情况下，CAP／QAM

方案与ADSL是频谱兼容的。但在同线束中没有ADSL存在时，这些系统就不能

有效利用1MHz以下的具有高信噪比特性的带宽。DMT则可以非常灵活地选择

发送频带的上下边界。只要把在1.104MHz以下的子信道上的发送功率谱密度

降低就可以做到与ADSL频谱兼容。当没有同钱束中的ADSL线路的干扰时，基

于DMT的系统可以给这些子信道分配较多的能量来传送更多的比特和提供较

高的性能。

（6）功耗

CAP/QAM方案功耗一般要小于DMT方案，随着系统的集成度的不断提高，

功耗都在不断地降低。对于VDSL系统，从性能上分析DMT方案比CAP／QAM方

案有一定的优势。但DMT方案由于要实现DFT，所以复杂度要高于CAP／QAM方

案，并且由于在ONU处的调制解调器工作的特定环境，需要低功耗的系统，所

以 CAP／QAM方案也有其长处。

5VDSL的双工方式

实现双向数据传输有两种方案：一种是频分复用（FDD），另一种是时分

复用（TDD）。

5.1频分复用

FDD系统有两个或多个信道，其性能的关键是带宽和上下行信道频带的位

置。

另一个需要考虑的问题是上下行码流信道的带宽。带宽的选择取决于所

需要达到的数据速率和下行与上行数据速率的比例关系，支持非对称8：1比

例数据传输的带宽分配与支持对称数据传输的带宽分配完全不同。上下行信

道带宽分配还与实际应用中的线路长度、SNR、有效频带的宽度有关。

为了支持一个较宽范围的数据速率和双向传输时下行上行数据速率比值，

FDD系统必须提供带宽可变的上下行信道，这样一般会增加系统特别是模拟滤

波器的复杂度。而采用DMT方案的FDD系统则是例外，它是通过在每个方向上

提供一个全带宽系列的子信道集来允许任意的上下行子信道的分配。每个子

信道既可以用于上行也可以用于下行传输。尽管这个技术要求在所有的调制

解调器中具有两个全长DFT单元，增加了系统的数字部分的复杂度，但会降低

对模拟部分的要求，并且在FDD频带分配中可以提供极大的灵活性。

5.2时分复用

与频分复用不同，时分复用系统是在单个频带内不同的时间段实现上下

行数据的传送。对时间共享信道带宽的使用是通过使用超帧来协调的，一个

超帧包括下行数据传送时隙，静寂时隙，上行数据传送时隙和另一个静寂时

隙。下行、上行数据信道的时隙宽度是DMT符号周期的整数倍。超帧可以表示

为A－Q－B－Q，A、B分别表示分配给下行和上行数据传送的符号周期的数目，

Q则代表静寂时隙，用来消除信道的传播延迟和在发送和接收时隙之间的回声

响应。以有20个符号周期的超帧为例，A和B占18个符号周期，Q占两个符号周

期。A、B的值可以根据系统要求的下行与上行数据率的比值来确定。

使用TDD要求在一个线束组中的所有线路的调制解调器都同步到一个共同

的标准超帧时钟上，使所有线路上的下行数据流与上行数据流都同时出现。

如果没有共用的超帧结构，支持TDD的线束中的线路会相互产生NEXT串扰，降

低数据传输率。超帧时钟的产生可以有多种办法。例如可以从8kHz的网络时

钟导出，也可以由其中的某一个TDD调制解调器产生，或使用GPS技术来实现。

5.3 TDD与FDD的比较

VDSL与其它DSL不同，它既支持对称传输，又支持非对称传输。FDD分别为

对称和非对称传输分配不同带宽，TDD则在超帧中分配不同的时隙。而当对称

和非对称服务位于同一线束中时，两种双工方式都会产生NEXT。

TDD中的超帧结构通过单个收发器既支持对称传输也支持各种速率比值的

非对称传输，下上行数据传输的比值可以通过软件设置A和B的值来确定。FDD

调制解调器在支持多个下行上行传输速率比值时效率不高。为了支持多种下行

上行传输速率比值，FDD调制解调器通常需要灵活的模拟频带分离滤波器来改

变上行和下行信道的带宽，这个滤波器的复杂度是与调制解调器可以提供的

传输速率比值的种数成正比的，它决定收发器的复杂度和功耗。ANSI和ETSI

要求可支持的数据传输比率为1：1、3：1、4：1、6：1、8：1，能够支持所

有这些速率比值的收发器的复杂程度是难以实现的。

TDD系统具有较低的复杂度，特别是以DMT为基础的TDD调制解调器，其发

送和接收功能在本质上是相同的，都需要使用FFT来实现DFT运算，可以共享

发送器和接收器的部份硬件来降低复杂度。由于使用TDD，解调器可以在任何

时间段进行发送或接收，因此，每一个调制解调器只需要一个可计算FFT的硬

件结构，这个FFT横跨整个系统带宽并且在超帧内除静寂时隙之外的时间段一

直处于工作状态。同样的频带可以既发送又接收，这样就省去了附加的模拟

硬件，没有使用的路径被关闭，以降低功耗；而在FDD方式下，必须一直向发

送和接收路径提供电源。

TDD系统提供了一个灵活的、低功率的解决方案。但TDD系统在中心局测

和ONU处的调制解调器必须通过标准超帧时钟严格同步以使系统避免NEXT的影

响，在考虑不同供应商产品之间兼容性时，标准超帧时钟的分配将十分困难，

网络服务商们不愿承担这个责任，所以他们推荐FDD为VDSL的双工解决方案。

6VDSL发展现状

VDSL的不同实现方案有各自的支持者，在线路编码方案的选择上分为两

大阵营：一个是支持QAM／CAP方案的组织，包括Analog Devices、Aware、

Broadcom、Rockwell等公司；另一个是支持DMT方案的联盟，其中包括Alcatel、

TI、Nortel、Cadence等公司。它们纷纷推出了支持各自方案的VDSL芯片组和

系统，其中典型的有Bmdcom公司采用QAM和FDD方案的BCM6010、BCM6020芯片组，

TI公司则推出了以可编程 TMS320C5400 DSP为内核的基于DMT和TDD技术的芯片

组TNET8000，并且现在正致力于开发采用DMT和FDD方案的芯片组。

VDSL技术是电话网络发展的一个方向，随着它的技术不断发展与成熟，用

户可以在家中享受到它所带来的各种宽带服务，具有十分广阔的发展前景。