从模拟调制解调器到标准电话语音信道看数据传输的演变

15年前，连接因特网最常见的方式是透过模拟调制解调器，再经标准电话语音信道发送数据。这种技术采用已经部署的现有标准双绞电话线，无需对「最后一哩(last mile)」技术做任何更改，因此对使用者来说这种方式非常廉价，并迅速主导整个通讯市场。不用挖路铺线、不用改变中央机房(CO)，这种方式极具吸引力。

模拟调制解调器的峰值速度为56Kbps。为什么是56Kbps？为什么不再高一点？简单地说：这不是「理论上」的可能，而是这种理论极限局限了ADSL技术的发展舞台。

模拟调制解调器使用经ITU-T委员会严格规范的现有语音信道。该通道具有限定带宽(4kHz，包含防护频段)，进入Muldex(多任务器/解多任务器，Multiplexer Demultiplexer)之前在中央机房进行硬件滤波。Muldex是中央机房中与电话连接的设备。

透过4kHz模拟通道可传输的最大数据速率是多少？这个问题的关键是了解ADSL。

正确的答案是：「取决于信道的噪声等级。」Claude E Shannon早在1948年就给了我们答案，只要噪声够低，就能以任意比特率进行传输，这一结果有时候会给我们惊喜。实际上，Claude E Shannon更精确地将最大比特率以定量方式与给定信道带宽和噪声等级进行关联。可以使用Shannon著名的公式：

Shannon知名公式

其中：C：最大比特率，单位：bit/s(容量)、B：带宽，单位：H、S/N：通道的讯噪比。

ITU-T规定语音信道的带宽和噪声级，限定双绞电话线的实际最大比特率——56Kbps，非常接近信道容量。

ADSL没有使用标准语音信道，而是使用另一种信道，打破语音信道的Shannon限制。

在电话系统中，每个用户都透过双绞线连接中央机房，双绞线的使用时间很短，只在打电话时才会用到，而且仅占用低于4kHz的通道带宽，高于4kHz的带宽显然未被使用。ADSL使用未被利用的带宽，并将低于4kHz的通道带宽预留用作标准语音信道。用户可以在进行电话语音通话的同时交换资料。

ADSL信道有多宽，噪声有多大？这方面并未标准化，这也就是为什么每个ADSL调制解调器都会在启动时测量线路噪声，然后根据用户信道情况建立最佳比特率。

每个用户连接中央机房的速度取决于信道本身。用户可以在家用ADSL调制解调器的控制面板上读出线路速率。

ADSL的确是个非常好的主意。它能更好地利用已经埋在地下的线路，无需对最后一哩做任何修改，而原来的旧电话还能与新技术兼容。用户只需在家里接一个滤波器(即「分离器」)，用来分离电话语音带宽与ADSL带宽。总之，这种方式简单且便宜。

中央机房中每条线路也配有类似的滤波器。该滤波器将语音信道连接到Muldex，并将线路的高带宽部分连接到只处理数据、名为数字用户线接入多任务器(DSLAM)的新设备上。电信运营商只需要在每个中心局中靠近每个Muldex的位置建立一个DSLAM，就可为客户提供ADSL服务。

DSLAM是具有模拟前端(Digital Front End)的纯数据通讯设备。它从一个广泛的用户组中收集所有ADSL数据。所有数据通常会被送到现场可编程门阵列(FPGA)，在这里进行处理并汇集到以太网链路。

高速以太网链路通常连接到因特网或者透过同步数字阶层(Synchronous Digital Hierarchy， SDH)或光纤传输网络(Optical Transport Network，OTN)传输。ADSL标准一直不断演变，而用于连接因特网的DSLAM的后端连接，根据网络配置不同可以有多种选择：以太网络、XAUI、SDH和OTN等。

这些是使用FPGA的理想条件，因为可建立完全可程序设计的后端连接，并可利用可程序设计组件达到不断发展演变的ADSL标准要求。ADSL架构看起来如此出色，尤其是可以自然地升级电话网络，很难想象人们还想要什么...但是，ADSL有局限性，这就是为什么市场会朝着被动光纤网络(PON)技术发展。

ADSL的局限性依然由Shannon理论决定。使用双绞线难以使ADSL速率超过15Mbps。这并非ADSL技术本身的限制，而是从用户到中央机房之间平均距离产生的限制，如果想要更快，我们就必须改变「最后一哩」，同时还要最大程度减少改变最后一哩所需的成本。当然，我们可以向每位客户提供SDH(挟带以太网方式)以满足这些需求，但这种方式太贵了。PON是解决这个问题的最佳答案，因为该技术能够在升级成本、性能以及最后一哩最少返工成本之间实现最佳平衡。

PON的工作原理

服务提供商将一条光纤通到距离客户半径几百公尺的「路边」。并非为每个用户都提供一条光纤，而是使用一条光纤替代数十条双绞线。透过PON分配器为每个用户提供光纤，用户只能访问自己的那部分来自中央机房的多播资料，并受加密算法限制。

在上行的方向(图1所示)，来自每个用户的光纤连接到被动分配器，并被多任务到连接中心局的单条光纤。中心局内负责从光纤接收数据的设备称为光纤线路终端(Optical Line Termination，OLT)。这种架构与ADSL完全不同，PON的优势在于，街道上的接线盒是光学原理并且仍然是被动的，盒子中没有主动组件，这是PON技术的关键优势：能帮助供货商将维护成本降至最低。

图1 PON上行方向

这种方法的缺点在于服务提供商必须将原有的双绞线换成有限数量的光纤。为降低移植成本，不得不以降低性能为代价，在很多国家PON都以混合技术的形式搭建。用户通过ADSL连接到街边的接线盒，但从街边到OLT则透过光学连接。

采用这种混合方案后ADSL的速度变快了很多，原因是DSLAM距离用户只有几百公尺远，而不是在中央机房内。劣势在于街边的混合接线盒现在变成主动的，因为它需要装载小型DSLAM。

PON体现了成本与性能之间的平衡。这并非像老式56Kbps调制解调器那样是技术上的最佳解决方案，但未来该技术可持续扩展。

OLT还有另一个关键技术部分：前端。在上行方向，所有用户都透过被动光纤分配器连接到同一接收器。因此，用户必须进行突发传输，一次传输一批，因为用户共享一条OLT的光纤。所有突发传输以相同频率操作，但采用用户独立相位。OLT接收器在每次突发传输开始会重新同步其采样相位，以正确接收数据。

每次突发在开端前导码位置有一个特定模式，它能说明OLT锁定每次突发传输。OLT的前端接收器称为「突发模式频率和数据恢复(BCDR)」单元。

增加前导码时间可以更容易地设计BCDR，但较长的前导码显然会降低上行带宽的效率。BCDR是关键的OLT组件。它的效率直接影响PON线路的上行效率，进而影响PON运营商的每位(bit)收入。

赛灵思的FPGA技术在OLT中很普遍，不仅像在DSLAM中那样用在后端，而且还用于前端。赛灵思透过UltraScale All Programmable组件系列提供全面的BCDR解决方案。具体来说，BCDR采用32位确定锁定时间实现高效上行通讯。该功能超越了ITUTG984、G987和G989规范。BCDR配有相应说明和附件，以支持用户解决以下问题：

如何模拟BCDR？ 如何验证BCDR？

对于整合商来说，首要问题是选择产品。BCDR只能在PON环境中测试，也就是整合商的产品。不可能先开发产品，然后验证BCDR。如果在开发周期结束时我们发现BCDR没有达到预期会出现什么情况？

这就是为什么赛灵思推出以BCDR为基础的框架。连同BCDR，你可获得一个具有数据封包生成器和数据封包校验器的完整模拟测试平台，用于证明BCDR的正确运作。

除此之外，该开发环境不仅能测试BCDR；还能对它施压；发掘其终极性能。以下是一些实例：

• 生成多个ONU。

• 可强制让ONU运行在「锤子(hammer)」模式，即数据封包至数据封包相位跳变始终是UI的0.5%。我们想确保BCDR完全不受这种波动的影响。

• 每次多帧数据封包重启时，锤子模式下生成的所有数据封包移动1微微秒，以确保BCDR的相位检测器没有「死」区。锁定时间必须始终为32位——短而且确定。

• 还可以在0~8000+之间改变数据封包前导码长度，这样能同时满足最严格的ITU.T PON要求和比较宽松的IEEE PON要求。

图2显示XAPP1277中与BCDR配套提供的模拟环境架构。该模拟环境透过脚本运行，无需编写代码便可在数分钟后看到波形。

图2 BCDR配套提供的模拟环境

对于硬件供货商来说，软件压力测试框架是一个非常好的起点。然而，你可能需要看到硬件工作，而这正是第二个BCDR框架的工作；该框架使用针对Kintex UltraScale FPGA的KCU1250特性描述套件，并在硬件中不断生成并检查数据封包，以免看到单个bit错误或丢失单个数据封包。

如何使用演示卡模拟PON环境？如何用1个BCDR进行锤子模式测试？

上行数据总是以双倍速率合成，而且TX串行器总是每个上行bit生成两个同样的bit。这样，在架构层面，硬件框架可以仿真任意两个连续数据封包之间0.5UI的跳变——可在PON环境中发生的最差情况。硬件框架透过插入任意两个数据封包之间最差相位步骤，对BCDR施压。

该框架中的有效负载是被截短的PRBS，在每个数据封包的定界符(delimiter)之后重新开始。如果BCDR跳过数据封包，你会看到一个负载错误；还可在运行中改变前导码长度。整个硬件测试台支持脚本编写，而且嵌入Vivado硬件分析器，还具备一套控制功能。

除了锤子模式测试、错误插入和累积以外，还可在运行中更改很多串行/解串行器(SerDes)特性和BCDR本身的很多特性，例如数字带宽。对于不熟悉FPGA技术的用户来说，SerDes配置则是另一个会使他们感到困惑的部分，因此BCDR框架提供使用说明，分步介绍如何配置SerDes，以协助用户设立PONOLT接口。图3为「GT(Gigabit Transceiver)导向GUI」示意图，显示框架如何指导配置，以及如何避免硬件复杂性。

这些技术使用户只需透过GUI就能选择好BCDR这样的复杂产品。原则上，你即使不了解基础技术细节也能做这些工作。一旦对BCDR完成评估，硬件测试台就会成为启动真实项目的最佳起点，只需删除演示数据报生成器/检查器并用真实的PON MAC替代这些模块，即可嵌入BCDR。

图3 用于设置多速率OLT接口的SerDes配置