五、ADSL技术
前面介绍光纤输入，最后来讲最早期的ADSL技术，使用铜质电话线来传输网络信号。一端是位于用户端的DSL Modem，俗称“DSL猫”；另一端是DSLAM，归各种电信运营商管理。在DSL技术之前，电话线上的数据传输技术通常是音频段的modem技术。这种技术只用一个很窄的频段，通常只有4千赫兹。最高传输速率只能达到56千比特/秒。DSL通过拓展频宽来增加数字信号，ADSL是DSL技术的一个类型。
近几年，全球光纤用户增长了15%，DSL用户数量在急剧下降，跌幅超过30%以上。在全球发达地区FTTx用户总量在2017年就超越了DSL用户。
1、DSL技术
DSL(Digital Subscriber Line，数字用户线路)是以铜质电话线为传输介质的传输技术形成的组合，可以在同一双绞线上传送数据和语音信号。是一种采用数字技术在双绞铜线上传输高速数据的编码方式。DSL技术在传统的电话网络(POTS)的用户环路上支持对称和非对称传输模式,利用了现有已被大量铺设的电话用户环路资源(铜线),以低成本实现用户线高速化。
DSL技术是美国贝尔通信研究所于1989年为视频点播业务开发的利用铜质双绞线传输高速数据的技术。在10年后随着电话用户的大量增长，电话铜质双绞线是现成的，并能提供高速率的因特网接入而受用户的欢迎，在后期得到大量应用。
1.1、DSL的基本原理
电话系统设计之初，主要用来传送话音呼叫，出于经济的考虑，电话系统设计传送频率范围在300Hz到3.4kHz范围的信号。人耳识别的声音频率是20Hz~20KHz，人的话音超过15KHz。300Hz到3.4kHz这个很窄的频段，只有4千赫兹。在DSL技术之前，最高传输速率只能达到56千比特/秒。
想要提高传输效率就得引出香农定理：
C＝Blog2（1+S/N）
B代表频段的宽度，S代表信号强度，N代表噪音强度，S/N代表信号噪音比。
传输速率的上限是由通信频宽和信噪比决定的。拓展频宽、提高信噪比成为关键，但是提高信噪比就得加强信号强度，高的信号强度意味着更高的能源消耗。所以拓展频宽是最为方便的，但也不无限提升，频段是稀缺资源。
我们来看几种接入技术的带宽：
PSTN ( Public Switched Telephone Network，数字公用电话交换网 )，普通拨号电话线入网。带宽33.6/56Kbps。
ISDN（Integrated Services Digital Network，综合业务数字网），是一个数字电话网络国际标准，ISDN是全部数字化的电路，所以它能够提供稳定的数据服务和连接速度。在一条约2B+D(2个B信道和一个D信道)的用户线，带宽160Kbps。
老式电话POTS，频率范围30-4000Hz，传输速率在33.6Kbps以内。
PSTN系统中将频宽由由原来只有音频的频宽，拓展到开来，可以拨号上Internet/Intranet/LAN，最高达到了56Kbps。
早期的DSL技术， ADSL1数据传输使用了频率范围26KHz~1.1MHz。
DSL服务通常保留0.3-4kHz这个范围的频段给话音服务，在原有频率范围拓展，DSL的频宽为300Hz到2MHz(ADSL是DSL的一个类型)。
1.2、DSL的编码技术
DSL是利用传输数据的高频信号采用调制技术来提高传输速率。四种编码技术：
- 2B1Q(Two Binary One Quaternary)，由AMI(Alternate Mark Inversion，信号交替反转)技术发展出来的基带调制技术,能够利用AMI的一半频带达到AMI一样的传输速率,由于降低了频带要求,提高了传输距离,主要应用于H/SDSL技术中。
传输时使用四种电平，每个电平代表一个01组合，如：-5V=11、-3V=10、+3V=01、+5V=00。这样一个电平就可以代表两个比特了，这种编码方式叫做2B1Q编码，它是HDSL技术的基础。 - QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制)，传统的拨号Modem所用的技术,MVL将其扩展到高频段,并综合了复用技术,以支持多Modem共享同一线路。
- CAP(Carrierless Amplitude & Phase Modulation，无载波调幅/调相)，载波频率可变,在一个频率周期或波特内传输2到9位二进制数据,因此在相同的传输速率下,占用更少的带宽,传输距离更远,主要应用于H/SDSL,RADSL中。
- DMT(Discrete Multi-Tone,离散多音频)，将高频段划分为多个频率窗口,每个频率窗口分别调制一路信道,由于频段间的干扰,传输距离相对短,应用于ADSL中。DMT已成为ANSI制订的ADSL应用的调制标准–T1.413。
1.3、DSL对线路的要求
1、线径：
是指线路的截面积，线的线径越粗，传输速率越高，线损越小。国内常用的有超六类26线径(直径0.404mm导线)、五类线24线径(直径0.511mm导线)、六类线23线径(直径0.574mm导线)几种规格。
2、线路长度
线路长度决定了传输衰减和时延。线路过长会造成传输衰减加大，时延加长，传输设备无法建立连接或使传输速率降低，从而达不到额定要求。
3、加感线圈
铜质双绞线线路过长，为保证在3Khz频段内频谱的平坦度，常常接有一个或多个线圈。加感线圈对于高频信号有很大的衰减作用，接入DSL时需要去除加感线圈。
4、桥接抽头
是跨接在双绞线上的未用的支路线路。一般多靠近用户端，这些抽头对数字传输的高频信号将产生反射，可能会抵消从远端传来的有用信号脉冲。ADSL要求环路上桥接抽头的总长度小于800米，单个桥接抽头小于650米，靠近两端MODEM的桥接抽头对传输影响最显著，应特别注意。可能的话，最好去掉所用的桥接抽头。
5、串扰和背景噪声
在同一线束内其它传输数字信号线的串扰，也就同时有多根网线或者电话线相互电磁干扰。
2、DSL技术分类
2.1、对称DSL技术
对称传输模式是指上下行速率相同，适合于电信传输、专线接入、高速互联等应用，点对点连接，主要用在要求高速、稳定的专业场合。
对称DSL技术有以下4种：
1、HDSL(High-bit-rate DSL,高比特率DSL)：是众多DSL技术中较为成熟的一种，并已得到了一定程度的应用。HDSL可以使用铜质双绞线(两对铜线)以全双工1或E1方式传输，无需借助放大器即可实现3.6公里以内的正常数据传输。HDSL支持N*64Kbps各种速率，最高达到了2Mbps。HDSL最突出的优势是部署成本低廉、安装简便，是T1/E1较为理想的替代技术之一。
2、SDSL(Single-Line DSL，单线DSL)：SDSL是HDSL单线版本，也就单对铜质双绞线，提供各种可变速率，速率范围从160kbps~2.084Mbps。最大传输距离达到3公里以上。
3、MVL(Muliple Virtual Line，多虚拟数字用户线)：是Paradyne公司开发的低成本DSL传输技术，使用一对铜质双绞线传输数据，最大传输距离可达7公里左右。MVL用户端不需语音分离器，上下行传输速率最高达768kbps。安装成本及功耗都相对较低，并可进行高密度安装。
4、G.SHDSL(Single-Pair High-Speed DSL，单对高速DSL)：SHDSL指的是单线对高比特数据用户线，采用PAM技术，SHDSL是在HDSL、SDSL和ISDN基础上发展而来的新的对称数字用户线。使用单对铜质双绞线速率范围从192kbps~2.3Mbps，以4对线传输模式可达到4.6Mbps的带宽。SHDSL对应的国标标准为ITU-T G.9912，所以又被称为G.SHDSL。
2.2、非对称DSL技术
种非对称DSL技术，其上行速率远远小于下行速率，一般只用于家庭用户宽带上网，因其下载数据需求量远远大于上传数据量。
非对称DSL技术有以下2种：
1、ADSL(Asymmetric DSL，非对称DSL)：ADSL上行速率32kbps~1Mbps，下行速率32kbps到8Mbps，有效传输距离在3到5Km。在铜质双绞线同时传输语音和数据。
2、VDSL(Very High Bit Rate DSL，甚高速数字用户线)：是一种新兴的传输技术，在速度上要远超于ADSL。VDSL使用铜质双绞线进行语音和数据的传输。最大下行速率可达55Mb/s，上行速率可达19.2Mb/s。VDSL传输距离较短，传输距离通常为300米~1000米。
| XDSL | ITU标准 | 制定时间 | 最大速率 |
|---|---|---|---|
| ADSL | G.992.1(G.dmt) | 1999 | 下行 7Mbps 上行 800Kbps |
| SHDSL | G.991.2(G.SHDSL) | 2001 | 下行 4.6Mbps 上行 4.6Mbps |
| ADSL2 | G.992.3(G.dmt.bis) | 2002 | 下行 8Mbps 上行 1Mbps |
| ADSL2+ | G.992.5(ADSL2+) | 2003 | 下行 24Mbps 上行 1Mbps |
| ADSL2-RE | G.992.3(Reah Extended) | 2003 | 下行 8Mbps 上行 1Mbps |
| VDSL | G.993.1 | 2004 | 下行 55Mbps 上行 15Mbps |
| VDSL2 | G.993.2 | 2005 | 下行 100Mbps 上行 100Mbps |
3、ADSL技术
1、用户的ADSL Modem先与ISP(运营商)的ADSL Modem池中的一个ADSL Modem建立连接，进而与服务器建立连接;随后ISP自动为用户分配一个IP地址，用户方可通过ISP的线路访问Internet。
2、家庭用户打开电脑使用浏览器上网，请求数据通过路由器到达ADSL Modem接入电话网，这时转换二进制数据到数字电脉冲，使得信号可以在数字音频流的频段内传输，分离器将数字电脉冲与音频流混合传输。
3、电话线的不同频段上同时传输信号数字信息和电话语音信息,到达运营商局端经过分离器，将信号分离数字电脉冲，进入运营商的DSLAM设备(Digital Subscriber Line Access Multiplexer，数字用户线路接入复用器)，即接入多路复合系统中心的Modem组合，它从多重DSL连接收取信号，将其转换到一条高速线上，用以支持视频、广播电视、快速因特网接入及其他高价值应用。
DSLAM其功能是接纳所有的DSL线路，汇聚流量，相当于一个二层交换机。
4、DSLAM将数据通过路由器传输到因特网，到达用户请求网站的服务器端。
5、从服务器端下载数据后，经过运营商局端经分离器将数据与音频流混合传输传回，到用户分离器剥离音频信号，将数据通过ADSL Modem将数字电脉冲转换成二进制数据—>路由器—>用户PC浏览器生成网页内容。
3.1、ADSL线路频谱
ADSL使用一对电话线，在用户线两端各安装一个ADSL调制解调器，该调制解调器采用了频分复用（FDM）技术，将带宽分为三个频段：最 低 频 段 部 分 为 0～4kHz，用于 普 通 电话 业 务 (POTS)，也 就 是 说 ，用 户 可 以 在 上 网 的 同 时 打电话 ，且 不 会 影 响 通 话 质 量 或 降 低 上 网 的 速 度 ；ADSL使用的频谱为26kHz -1.1MHz，其中上行频带26kHz-138kHz，下行频带从138kHz-1.1MHz。上行速率可达到640kbit/s，下行速率可达到8Mbit/s。
ADSL2+使用的频谱为26kHz -2.2MHz，其中上行频带26kHz-138kHz，下行频带从138kHz-2.2MHz。上行速率可达1Mbit/s，下行最大传输速率可达25Mbit/s。
在电话线上分隔上下行频率带宽 ，产生多路信道 ，ADSL MODEM 一 般 采 用 两 种 方 法 实 现 ，FDM(FrequencyDivisionMultiplexing，频分多路复用)或 回波抵消EC(EchoCancellation)技 术 。这两种方式都将电话线的 0～4kHz频带用作语音信号的传送，作为数据通信部分采用不同的方式处理：
3.2、ADSL复用技术
3.2.1、FDM频分多路复用
FDM(FrequencyDivisionMultiplexing，频分多路复用)
“复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。传输的语音信号的频谱一般在300~3400Hz内，为了使若干个这种信号能在同一信道上传输，可以把它们的频谱调制到不同的频段，合并在一起而不致相互影响，并能在接收端彼此分离开来。
一个信道只传输一路信号是非常浪费的。为了充分利用信道的带宽，将频谱分为N个子信道，每个子信道首先通过低通滤波器（LPF），以限制各路信号的最高频率fm。
- FDM方式的上行通道频段从7#子信道-31#子信道（除去16#）
- FDM方式的下行通道频段从32#子信道~255#子信道（除去64#）
上行24个子信道、下行223个子信道
频分多路复用将用于传输的信道的总带宽划分成N个子频带(子信道),每一个子信道传输1路信号。频分复用系统的最大优点是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。频分复用系统的主要缺点是设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。
FDM用户分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。所有用户在同样时间占用不同的带宽资源。
3.2.2、回波抵消EC
单纯的FDM不能充分利用带宽 ，EC方式使用上下行信道重叠方式，通过本地回波抵消来区分两频带， 回波抵消比FDM更加有效地利用了带 宽 ，使下行信道可利用的频带增宽，同时也增加了系统的复杂性，灵敏度的降低。现在的ADSL尽管只有一小部分的频带交叠，但仍会有回波问题，因此仍需回波抵消的控制电路。在ADSL中，FDM和回波抵消技术可以结合使用。
- EC方式的上行通道频段从7#子信道-31#子信道（除去16#）
- EC方式的下行通道频段从7#子信道~255#子信道（除去64#）
上行24个子信道、下行248个子信道。
3.3、调制编码技术
ADSL调制技术有3种: QAM（正交幅度调制）、CAP（无载波幅度/相位调制CAP） 、DMT（离散多音DMT），其中DMT调制技术被ANSI标准化小组T1E1.4制订的国家标准所采用，目前使用的ADSL大多数都是基于DMT调制技术线路编码的。
先谈标准之分，ADSL底层技术标准由ANSI(美国国家标准学会)和ITU(国际电信联盟)所制定，分为ADSL Full Rate和ADSL G.lite两类。
ADSL Full Rate被称为全速率ADSL标准，最高下行速率8192Kbps，最高上行速率1024Kbps。要求必须安装POTS语音分离器。对应标准为ANSI T1.413 Issue 2(欧美市场)；ITU-T G.992.1（G.dmt）。
ADSL G.lite被称为简化后的ADSL标准，最高下行速率1.5Mbps，最高上行速率512Kbps。无须安装POTS语音分离器。对应标准为ITU-T G.992.2（G.lite）。
3.3.1、ADSL的DMT调制
DMT(Discrete Multitone，离散多音复用)调制技术采用频分复用的方法，把0~1.104MHz的频带划分为256个由频率指示的正交子信道，每个子信道占用4.3124KMH带宽。DMT采用了256-QAM调制技术，把频带分割的256个子信道，除了用于普通话音传输的0～4kHz频带外，其他的频带被分成255个子载波，子载波之间的频率间隔为4.312 5kHz(1104/4.3125正好等于256)。利用每个子载波的4kHz频带，两个子信道之间有0.3125kHz(4.3125-4)的频隔离区。
上行通道最大24子信道，下行数据传输通道最大248(EC方式)个子信道。
256个载波上的输入信号经过比特分配和缓存，将输入信号划分为比特块；经TCM编码后再进行512点离散傅立叶反变换（IDFT）将信号变换到时域，这时比特块将转换成256个QAM子字符。随后对每个比特块加上循环前缀（用于消除码间干扰），经数据模变换（DA）和发送信号分离器将信号送上信道。在接收端则按相反的次序进行接收解码。
DMT具有很强抗脉冲噪声和窄带噪声干扰能力,根据傅立叶分析理论,频域中越窄的信号其时域延续时间越长,DMT方式下各子信道的频带都非常窄,因而各子信道信号在时域中都是延续时间较长的符号,故可以抵御短时脉冲的干扰;如果线路中出现窄带噪声干扰,可以直接关闭被窄带噪声覆盖的几个信道,系统传送性能不会受到太大影响。