Telecom-history

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DSL, Digital subscriber line(老式叫法loop), 名字起的其实很直白, 在用户原来的电话线上传输数字的技术. 1984年发布的ISDN标准, 也算是一种xDSL, IDSL. 1988年Bellcore 注册ADSL专利. ADSL上下行带宽不同,较为适合internet, 不过ADSL 成为ITU标准就晚的多了, 一直要到1998年了.  ADSL只使用4k以上的频谱资源, 因此可以和普通电话通过滤波器共存, ADSL在local loop上提供高速的数据连接.
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High-bit-rate digital subscriber line (HDSL)才是第一个DSL标准(1994), HDSL在使用一对或两对双绞线, 上下行速度对称, 分别可以达到668kbps,1.544Mbps. 基本上是T1的一种替代品. HDSL也使用更多的频谱资源, 这是DSL的通用做法, 这样就能获得更快的速度. HDSL/SHDSL都占用了4k的音频频段,无法与普通电话共存. HDSL采用2B1Q line code这和ISDN BRI一致. 后续HDSL的升级替代品SHDSL(2001年),速度更高. 后续的VDSL2(2006年)频段用到了12Mhz, 2015年的35b profile带宽延伸到HF以上, 35MHz, 速度进一步提高.
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===Breakthrough Speed===
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DSL突破local loop的速度限制的方法基本上只有一个, 就是采用更多频谱资源, 因为local loop的速度已经逼近香农极限, 理论上都没有什么空间可以操作. local loop历史遗留的各种滤波器是时候被彻底抛弃了,否则完全没有可能利用更高频率的频谱资源.
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ADSL/ADSL2 这些速度非对称的标准, 考虑了和POTS以及ISDN的共存问题, 因此4k及以下的频谱是不用的, 为了照顾ADSL over ISDN, 有的标准只利用138khz以上的频谱资源.
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有了带宽后的第二个问题是如何利用这些频谱资源. ADSL的做法是将这些频谱拆分成一些列相距4.3125kHz距离的频带 (ADSL1, 256个,包括上下行). 在单独的频带上和音频Modem的做法类似, 采用QAM调制, 波特率固定在4k, 每个符号最高传递15个bit,此时最高速度每个通道60kbps. ADSL(ANSI T1.413-1998 Issue 2)下行254个通道, 最高下行速度254*(4khz*15bit)=15.2Mbit/s, 但是因为编码,组包的开销,数据传递的有效速度约8Mbit/s.
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更进一步, 这些单独的频带是正交的, 算是一种有线版本的OFDM, 使得频谱利用率很好.
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高速的代价, 和与音频Modem相似,必须得有纠错措施才能实现单个symbol传递15个bit, ADSL不仅采用了卷积码, 再此之上还进一步采用Reed–Solomon编码进行纠错, Reed-Solomon纠错在WiMax,DVB,CD/DVD/BD,二维码中广泛应用. RS编码通过附加16 bytes的信息, 可以对最多224个byte中8个byte出错进行纠正, 称做 RS(240,224).
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不仅是两种纠错方式, 为了减少突发的连续长串的错误bit的出现, RS编码后,送给卷积编码的数据的顺序是不同的:
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ADSL瞄准的是最后一公里, 这里是情况最复杂的, 通讯环境各不相同, 并不能保证每个线路都能达到高速度传输. 因而,在ADSL连接建立之初有一个training-up的过程, 通过DSP分析测试信号, 找出各个信道的可用程度,在不同的信道, 通过分配给信道每个symbol传输的bit数量,调整信道的传输速度.
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这一过程不仅在初始阶段, 在运行阶段也是通过监控信道的噪音状况,动态调整, 这个叫bit swap. bit swap是根据信噪比,通过把一些信道的传输的bit交换到另一个信道来维持传输速度,同时优化整体通讯质量. bit swap不会降低整体的传输速度. 但是bit swap改变了能量在通道内的分布,维持最佳能量分配(最低必要能量),能在噪音14Db变化范围内保持通讯速度. 如果超出这个范围, 则需要重新初始化.
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这种频率划分,和调制方式, 称做DMT(discrete multitone modulation).
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===Refrence===
 
===Refrence===
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*[http://www.polytech2go.fr/topnetworks/frch6_fren.htm xDSL Family]
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*[https://www.induteq.nl/ict/bestanden/02__Intro_to_ADSL.pdf Intro to ADSL]
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*[https://www.kirara.co.uk/info/DSL%20Information%20Part-1/ ADSL Line Driver]
  
 
*[https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_subscriber_line DSL wikipedia]
 
*[https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_subscriber_line DSL wikipedia]

2018年10月17日 (三) 11:24的最后版本

目录

[编辑] 1 简介

做为无线电爱好者,同时又有不短的数据通讯从业经验的 geek, 总觉得, 在收音机和4G移动电话之间有着巨大的鸿沟. 不能理顺繁多的概念, 有地方欠缺, 我归咎于自己大学没有好好上课, 又非通讯科班出身. 2014年左右, 在一本很老(199x年)的无线电杂志上, 看到一个系列文章, 从一个无线电爱好者的角度介绍了很多telcom的概念, 以及Modem的前世今生. 三年过去也念念不忘, 感觉里面大有文章.

粗俗的理解电信, 就是每个月要收你月组费的中国移动, 让你能打电话, 上网冲浪, 他们在卖通讯, 最早是电报,后来是电话,传真,网络. 和卖馒头的小贩的区别是, 他们卖的东西我们不懂(但是会用).至于电话业务(电信卖的馒头之一), 现在走上街头还能偶尔看到某个大街的电线杆子上乱七八遭布满了电线.

Telophone line.jpg

家里的电话就这样乱七八遭的连接到了某个电信局的机房. 这段连接, 一般叫做 local loop(为什么是环不是线...后面有), 这就是著名的'最后一公里'. 接到的机房, 一般叫CO(central office). CO之间怎么办, 不能给每家每户都来个全链接网络的, 只能共享有限的几根线. CO之间做重要的是解决怎么共享(multiplex,复用), 怎么找到你要的人(拨号和交换). 这是技术上的问题, 我猜怎么收你钱比这个还重要, 所以还要有记费. (其他的多了去了,可我并不感兴趣)


local looop这最后一公里, 以及CO之间的连接(trunk)发生了很多故事, 如果你深爱无线电, 你就会发现local loop和trunk上发生的事情和Ham Radio之间有千丝万缕的联系.


trunk连接的来历有的说是树干和分支的意思, 还有的说是从火车道来的(主线支线?), 因为电话前的电报时代, 电线是跟着火车道一起铺设的.

[编辑] 2 最后一公里(local loop)

今天考虑,拿电线把喇叭和话筒链接起来就能通讯了. 实际上确实能.

Communication-with-amplifier.jpg

只不过并非随便接都能用的. 这里放大器输出阻抗很低, 接收端通过一个100k电阻接到放大器输出线. 低阻抗输出能比较号的对抗干扰信号. 因为干扰信号看放大器就是对地短路. 但是如果不是低阻抗输出问题就大了, 串进来的干扰很难消除,导致通话质量下降, 甚至完全不能使用.

早期不要说根本就没有放大器能提供第阻抗输出, 就是有家里也用不起. 所以要另想办法, 屏蔽电缆对长距离干扰也无能为力, 一方面同轴长距离传输损耗很大, 另一方面在音频的时候, 电缆的电容对信号影响很大高品损失严重(没有阻抗匹配吧这是), 更为严重的是, 远距离的两个设备, 其"地"(公共参考电)电压不一样, 导致电流流过屏蔽层, 带来电力线干扰.

这些和你家HIFI音响, 舞台设备, 录音棚里遇到的问题其实一样.


[编辑] 2.1 模拟电路(POTS)

长距离传输最好的办法就是用平衡线(和PCB上的差分线是兄弟). 就像这样连接:

Balance line.jpg

这种情况下大部分的干扰是"共模"的, 就是同时出现在上下两条线上, 而只有上下两条线同时出现但是极性(准确的说是相位)相反的才能最终转化成能听得到的声音. 一般这两根线用双绞线, 进一步保证干扰是共模的. 有时候, 即用屏蔽又用平衡, 显然,电信公司不想花那钱.

电信的双绞线特征阻抗是600ohm. 两根线做全双工(full duplex)需要一个duplex电路,或者叫hvbrid.


Duplex-circutis.jpg


对话筒来讲, 左右两侧的电路阻抗一样, 话筒的电流平均经过左右两个电路,方向相反, 就是说本地的earphone几乎不能听到自己说话, 只是实际上并非完全平衡, 自己还是能听到自己的声音只是很微弱. 图中其实是只有一个铁芯, 四个绕组.远方来的信号是一个方向流过整个变压器的次级, 信号声较大. 此时Mike上应该也是流过了部分信号电流, 但是因为变压器原因(自耦合),电压小, 功率更是小( U^2/R)


完整的电路还要包括镇玲电路供电等, 基本上是下面的样子(这个电路就比较"现代了",最初的电路没有pulse/tone拨号的,都是靠接线员的):

Telephone-to-CO.jpg


一个具体电话的分析

[编辑] 2.2 Modem

在ISDN网络架构出现之前, 通过电话网络进行数字传输通过Modem实现。 Modem将数字调制到音频, 然后通过连接电话的双绞线进行通讯。 1920s Teletype(电传机)就是著名的TTY,通过modem在电话网上传输数字信息。1960s1940s,冷战期间美国军方用modem在电话网上传输雷达图像。




PCM modulation.JPG


[编辑] 2.2.1 103 Modem

1960s, Bell 电话公司发布型号为103的modem,这是第一个广泛可用的modem。速率 300bps,但是主要的用途是连接“傻”终端(dummy terminal)到远程电脑主机,这个dummy terminal没有屏幕的,别想多了,你敲键盘的响应是通过打印机打到纸上的。看看这个视频"古"时候人们怎么上BBS

Bell-103A.jpg


FSK采用FSK编码(两个不同的频率代表0,1),呼叫方采用1170载波,100Hz Deviation。应答方用2125载波,100Hz Deviation。采用异步编码(异步通讯), 几个bit一起发送(类似RS232 6N1,8N1这种), 有start, stop bit.

FSK modulation.JPG

这里有两个问题, 一个是信号边带,是600-800Hz每边, 这样山下行边带有些许干扰, 万幸边带幅度下降很快,一定程度上缓解这个问题。 另一个就麻烦了, 发出去得信号比接收到的信号幅度高20dB(线路损耗),所以增加了一个duplex和一个filter来缓解这个问题。 Duplex对发送和进入的信号进行隔离,就像local loop的那种,同时进来的信号通过一个滤波器,滤除呼叫方的1070-1270Hz的信号。

Modem-internal-103.JPG

发送的信号多少会串进接收电路, 当只有模拟电话的时候, 发送串进来的信号是故意而为的, 叫'sidetone',让你能稍稍听见自己讲话的声音,故意把duplexer调整的不平衡. 对modem来讲, 期望要尽量的平衡消除干扰,但是实际制造做不到完全平衡.

FSK信号要想准确判定是1还是0(高频率还是低频率), 总是要等几个信号周期, 对于103 modem, 一般要2ms到3ms才行, 对应速度就变成了333bps到500bps.

最老的Bell 103电路没有找到, 1984年设计的单片Modem可以参考(距离1960s不是特别远)

这个是解码电路的框图. 以及对应点的波形图.

1984-single-chip-B103-demoduler.jpg 1984-b103-DEMODULATOR-waveforum.jpg


A点信号已经经过上述滤波器, 经过放大限幅,变成方波B,然后经过一个可编程的FSK到PWM信号的转换电路, 转换出来的频率是四倍于载频的, 在每一个上升/下降沿都reset这个PWM的载波,得到一个PWM调制脉冲C. 脉冲C通过一个带通滤波器,滤除掉4倍载波频率就得到基带波,最后通过一个slicer, 转换为一个方波(序列)。 非常要注意的是,这里解调的过程并没有用到start,stop bit,这些异步通讯的标记通过UART电路解析为最终数据。 下图是FSK simplified Demodulate 文中的另一个FSK解调器的工作过程图。 在最后的一行 Digital Data Out中,一个0, 另外两个1是连在一起输出的,就是说, Demodulator输出的是数字的方波串,bit的识别需要UART来处理。


FSK-demodulater-simplified.jpg


[编辑] 2.2.2 UART Decode

推荐两个博文,第一个介绍异步串行传输的原理, 第二个将VHDL的异步解码逻辑用逻辑门来实现,是UART解码电路的一个简单的例子。


异步传输就是说两边没有什么一样的clock, 全靠两边约定一个较精确的频率相同的的clock, 比如晶体振荡器. 如下图的 'W' 的ASSCII码在UART上的样子:

W on UART.png

主要的问题是接收方如何把Bit 1, Bit2 ... 放到合适的位置, 如果和发送方放置的位置不一样,就不能得到正确的结果. UART 异步传输的方式是, 通过Start/Stop bit标记一个传输的开始和结束,这样, 接收方检测到开始之后,可以从Start bit开始,通过本地的时钟构造一个和发送方基本一致的时钟, 时钟只要在这10几个周期内不是变化无常,就能正确的标记Bit, Bit 2 ..在信号上的位置.

UART解码的顺序基本上是如下图所示: 本地使用一个高于数据频率16倍(或者32倍)频率的时钟, 在每一个Start bit的边沿, 启动这个时钟, 然后延迟8个周期定位到这个bit的中心, 之后没16个周期采样一次,即可解码数据.

Async-clock.gif


如果不考虑支持那么多的波特率, 也不考虑各种复杂的东西, 一个简单的解码器原可以用逻辑门来实现 *asynchronous serial reception,原理图如下:

Usart rx-logic.png


解码器时序图:

Uart-decode-waveforum.JPG


另外推荐:

  • <<Implementation of UART with BIST Capability>>, 文中给出了带BITS能力的UART的实现.
  • <<Implementation of BIST Capability using LFSR Techniques in UART>>


[编辑] 2.2.3 Bell 202: Faster Modem (V.23)

增加FSK调制的Deviation可以让解码更容易,从而增加传输速度. Bell 202采用500Hz的Deviation, 载频 1700Hz, 这样,边带信号占满了 POTS的全部带宽(300-3500 Hz), 实现了1200 bps通讯速度. 因为带宽用尽, 只能是半双工.


至于解码过程, 和Bell 102是类似的, 芯片设计也是类似的, 将调制信号放大限幅变为方波, 然后通过过零检测生成脉冲, 通过这个脉冲去控制一个PWM发生器, 就得到了被基带信号调制的PWM信号, 之后通过SCF(switched capacitor)带通滤波器,就恢复了基带信号.

Modem-V.22-Chip-Figure2-1.png


Bell 202 Modem的故事从他退役后开始精彩起来, 无线电爱好者利用市场上数不尽的廉价 Bell202 Modem 进行了第一次业余无线电报文通讯, 并继而发展出AX.25 (X.25的业余无线电版本). VHF上 Bell 202是标准调制方法, 而且APRS VHF段也采用Bell202. HF段则用Bell 103.


[编辑] 2.2.4 1.2k/2.4k Modem

bell202 Modem 采用FSK调制,并且就占满整个POTS的 Local loop带宽了。

ITU标准则略有不同,依然通载波区分上下行通道。 1980s前,音频通道的Modem速度基本保持在300bps 和 1,200bps(V.21,V.22),波特率都是600,1200bps采用DPSK-4调制方式,每个symbol携带2bit信息。V22标准同时支持同步通讯和Start-stop方式的异步通讯。

V.22bis也支持同步和异步两种通讯方式,通过QAM-16(4bit/symbol)实现2400bps通讯。

这个阶段调制方式从FSK变为DPSK进而采用QAM。 同时同步通讯逐步成为主流。

[编辑] 2.2.4.1 DPSK

首先就是采用DPSK调制开。 PSK是phase sshift keying,相位调制。 DPSK的意思就是相位检测不是根据一个固定的参考相位,而是根据前一个bit的状态。 DPSK-2是说有两种不同的相位可用, 如下图:

DPSK-2.jpg

DPSK-2对比FSK还没有看你出什么优势,但是DPSK-4就不同了, 下图是DPSK-4的波形图和constellation(星座)图,constellation看起来很直观,上面每一个点是一个向量的终点,其长度代表信号幅度。


DPSK-4.JPG DpSK-4-CONTELLATION.jpg

DPSK-4 每个symbol 能传递2个bit,所以600波特率速度是1200bit/s. V.22采用DPSK调制,更高速度的Modem几乎都采用QAM调制。

[编辑] 2.2.4.2 QAM

QAM不仅采用相位,而且同时采用幅度进构成constellation,这意味着一个symbol可以传递更多bit。

9600bps-DPSK-16.jpg

9600bit/s其波特率是2400, 每个symbol传递4位。 如果要更高的速度,单纯增加constellation的点数是不够的,因为区分不同的点就变得困难,加上干扰,可能带来很多的问题,想要逼近香农极限没有那么容易。


[编辑] 2.2.4.3 Synchronize

从V.22开始,就开始支持同步通讯模式,而不靠start/stop bit了。(V22还支持start/stop bit)。 这篇 Bit and Frame Synchronization 很不错, 简单探讨了bit synchronization和Frame Synchronization的方法。

Bit Synchronization就是clock同步。两边同步时钟有几个办法:

  • Polit 一个是时钟直接发送过去,比如FM广播的立体声导频(polit)信号.
  • 或者把时钟通调制到数据力但是和数据采用相反的调制极性,如下图:

Negtive-clock-insertion.JPG

  • 或者采用曼彻斯特编码:

400px‎

  • Scrambling(扰码): 同步Modem并没有用上述的把时钟直接混和到数据的办法, 而是采用了Scrambling(扰码), retrain(重新训练)等措施确能错数据中恢复时钟。Scrambling将数据编码另一组数据, 但是确保里面没有连续的0, 或连续的1. 参考V.22(第一个建议同步通讯的Modem标准. 参考 Scrambler
  • 前导码(preamble): 不过,更常用的方法事是前导码(preamble),前导码是含有交替含有1,0的序列(可能是1100等),用于在数据传输开始前同步两端时钟(一般是DPLL,数字锁相环振荡器)。以太网,4G等等都有前导码的身影。从V.32bis开始,modem的一些初始化通讯,速率选择等,开始使用前导码.

[编辑] 2.2.5 9600 and 14,400 Modem

[编辑] 2.2.5.1 Echo cancellation

下一个重要的通讯技术是Echo cancellation。V.21/22/22bis 采用上下行分开的模式不是说全双工是多么好的技术,一个重要的原因是因为POTS电话线上hybrid本来就带有“side tone”,modem里面也没有完全对称的电路设计能完全消除这个回音,采用上下行通道,就可以利用滤波器消除他自己的传输通道的信号了。

echo cancellation(回音消除)就是解决这个问题的,在通讯开始的时候modem发送特定信号过去并监听反射回来的信号,测量其延迟时间。 这个过程完成之后,在发送的时候将信号同时送入延迟电路,但是相位相反,因此反射回来的信号就和延迟电路内出来的反相信号抵消。(至于幅度,这里只是一个简要描述,实际电路是要复杂一点的)


从V.27ter开始, Modem在local loop(2 wire)上就只能支持半双工了,但是波特路提高的1200(4800bps), V32更是提高到2400,速度9600bps,QAM-16(4bit per symbol).


[编辑] 2.2.5.2 break through 9600bps

9600bps 的modem 1968年就出现了, 售价2W刀, 误码率很高。 1982年IBM发表了里程碑式的文章,介绍了trellis modulation。 纠错编码基本上就是将发送bit编码为互相很容易区分的word,如果出错,基本上还是靠近正确的word,其临近bit之间有某种历史联系,从而容易纠正小错误。Dave Forney 1973 发表的论文介绍了trellis diagram和Viterbi algorithm解码算法。9600bps以上的modem都采用了这一技术。

从V.32开始就建议使用Trellis了, 后面就不是建议了, 12kbps(V.32bis)开始, 纠错码就一直采用trellis code和viterbi解码了。 不过看第一次看卷积码(trellis)和Viterbi解码的文章感觉云山雾罩,深感基础知识薄弱。这里有个卷积编码的介绍视频,还稍微容易理解一点:

Conventional Code视频介绍

viterbi解码无论如何都是需要耐心才能研究的来的。 一直到1990s, 9600bps都是主流,V32bis成为标准后, 各个公司就开始研发驱动芯片,并展开了价格战,推动了高速modem的普及。速度被提升到19kbps。


[编辑] 2.2.6 V.34/28.8 kbit/s and 33.6 kbit/s

28,800 bit/s 的V.34标准推出的时间较晚,很多公司已经开发了不同的技术,V34出来后,为了兼容V34,各个公司不得不采用DSP和微处理器来处理信号。 V34采用了了更为复杂的编码,像channel encoding ,shape encoding,同时一个Symbol传输的bit增加到6-10bit,波特率2,400 to 3,429,速度14.4,28.8,33k bps. 33kbps基本就是local loop的Shannon极限速率 。

Shape Code通过改变数据的分布(送进调制器之前将数据改为类高斯分布)降低发送功率,减少干扰,提高速度。

到这个速度,全是芯片 DSP FPGA的天下了,好在我所知甚少,安心了。

[编辑] 2.2.7 56k Modem

高于33k的速度需要CO进行改造, 比如US Robotics'(现在的3COM)的modem,这种modem不是用来和另一个Modem对拨的,如果和另一个Modem直接拨号,这个modem速度只有28.8k,但是如果拨入ISP,情况就不一样了。下图是POTS的完整电路模块。

Local-trunk.JPG

普通Modem将数字信号调制到音频, 传输到CO,然后通过ADC转换为数字,传输到对端CO,重新转回音频信号,对端Modem将其转回数字信号。 US Robotics 的56k Modem 需要直接将数字信号从CO传输到ISP,消除了ISP端的音频转换过程。 在拨号端没有改变。 ISP侧可以传输64kbps的数字信号(应该是T-Carrier),而用户端的CO的DA/AD转换是采用了u-law压缩的,只有7个bit,导致速度只能到53k左右。

ISP侧CO的第一次AD转换对Modem信号传播影响最大,所以这个改进可以提高速度到56k。(53k左右)

这个改变发生在大致发生在1990s末期,V.90标准。

更高的速度在modem侧进行了数据压缩传输,不过不同类型的数据压缩比不一样,文本当然最高能到320kbps。

[编辑] 2.3 ISDN

ISDN是个比较大的概念, 是为了在传统PSTN网络上同时传输(主要针对在local loop)送语音,视频,数据,传真.

(PSTN泛指一切电路交换的网络,早期是模拟线路,现在基本全部数字化, 主要业务是电话).


不过ISDN的地位好像比较尴尬, 概念难懂,用户也不理解, 以至于 ISDN 经常被各种调侃, 比如 I Still Don't Konw/It Still Do Noting 之类的名字. 我从外行角度看, ISDN制定时(1988), Trunk网早已数字化了,处于高速版本的T-carrier的发展期和光纤传输的开始阶段, ISDN 把这种数字化从trunk延伸至local loop (其速度以64kpbs为单位, 就是一路语音电话的带宽要求, 即一个bearer channel的带宽, B-Channel). ISDN在美国/加拿大从未真正的流行过, 就被ADSL之类针对宽带接入的服务给秒杀了. 不过ISDN以其电路交换的良好QOS以及可以用中继拓展距离的好处,仍然是一个很好的产品, 在高质量要求的语音视频服务中, 有着IP不能比拟的QOS保证,和比xDSL远的通讯距离. 2013年到2018年(This year)部分国家的部分电信供应商相继开始停止ISDN业务.


(个人角度)理解ISDN,是把电路交换的PSTN数字化,拓展到了local loop, 通过组合B,D channel 提供各种服务和速度需求, 这些通道非常自然的融入当时的T-carrier传输网络(以T-carrier作为承载).ISDN之前数据通讯需要Modem, 或者直接租用T1线路. ISDN出现前, 部分trunk网络已经是数字化的(T-Carrier,E-Carrier), 不过模拟到数字的转换(ADC) 是在CO完成的不是在用户端, 这样很大的限制了Modem的速度. ISDN线路将local loop线路上涉及的限制带宽的各种滤波器,hybrid都拆掉, 从而容许以更高的传输速度数字信号.


  • 用户端负责D/A转换(之前是电信局端做D/A转换, 用户到电信是模拟信号)
  • 2B1Q调制类似QAM


多说下ISDN的报文交换网络, 像X.25/FrameRelay, 都是承载在ISDN的 "D" 通道, X.25 基本上只定义了外围设备怎么接入的标准. X.25/FR 基本上是电路交换网络的思路做出来的报文交换网, 网络地址非常类似电话号码, 两端的连接叫Virtual Call(VC), 非常强烈的"电话"风格.

[编辑] 2.4 xDSL

DSL, Digital subscriber line(老式叫法loop), 名字起的其实很直白, 在用户原来的电话线上传输数字的技术. 1984年发布的ISDN标准, 也算是一种xDSL, IDSL. 1988年Bellcore 注册ADSL专利. ADSL上下行带宽不同,较为适合internet, 不过ADSL 成为ITU标准就晚的多了, 一直要到1998年了. ADSL只使用4k以上的频谱资源, 因此可以和普通电话通过滤波器共存, ADSL在local loop上提供高速的数据连接.

High-bit-rate digital subscriber line (HDSL)才是第一个DSL标准(1994), HDSL在使用一对或两对双绞线, 上下行速度对称, 分别可以达到668kbps,1.544Mbps. 基本上是T1的一种替代品. HDSL也使用更多的频谱资源, 这是DSL的通用做法, 这样就能获得更快的速度. HDSL/SHDSL都占用了4k的音频频段,无法与普通电话共存. HDSL采用2B1Q line code这和ISDN BRI一致. 后续HDSL的升级替代品SHDSL(2001年),速度更高. 后续的VDSL2(2006年)频段用到了12Mhz, 2015年的35b profile带宽延伸到HF以上, 35MHz, 速度进一步提高.


[编辑] 2.4.1 Breakthrough Speed

DSL突破local loop的速度限制的方法基本上只有一个, 就是采用更多频谱资源, 因为local loop的速度已经逼近香农极限, 理论上都没有什么空间可以操作. local loop历史遗留的各种滤波器是时候被彻底抛弃了,否则完全没有可能利用更高频率的频谱资源.

ADSL/ADSL2 这些速度非对称的标准, 考虑了和POTS以及ISDN的共存问题, 因此4k及以下的频谱是不用的, 为了照顾ADSL over ISDN, 有的标准只利用138khz以上的频谱资源.

ADSL-detail-band-allocation.jpg

ADSL-spectrum.jpg


有了带宽后的第二个问题是如何利用这些频谱资源. ADSL的做法是将这些频谱拆分成一些列相距4.3125kHz距离的频带 (ADSL1, 256个,包括上下行). 在单独的频带上和音频Modem的做法类似, 采用QAM调制, 波特率固定在4k, 每个符号最高传递15个bit,此时最高速度每个通道60kbps. ADSL(ANSI T1.413-1998 Issue 2)下行254个通道, 最高下行速度254*(4khz*15bit)=15.2Mbit/s, 但是因为编码,组包的开销,数据传递的有效速度约8Mbit/s.

更进一步, 这些单独的频带是正交的, 算是一种有线版本的OFDM, 使得频谱利用率很好.

ADSL-VDSL-Spectrum.jpg


[编辑] 2.4.2 keep High speed

高速的代价, 和与音频Modem相似,必须得有纠错措施才能实现单个symbol传递15个bit, ADSL不仅采用了卷积码, 再此之上还进一步采用Reed–Solomon编码进行纠错, Reed-Solomon纠错在WiMax,DVB,CD/DVD/BD,二维码中广泛应用. RS编码通过附加16 bytes的信息, 可以对最多224个byte中8个byte出错进行纠正, 称做 RS(240,224).

RS-inter-lacer-convolutive-code-forADSL.jpg

不仅是两种纠错方式, 为了减少突发的连续长串的错误bit的出现, RS编码后,送给卷积编码的数据的顺序是不同的:

ADSL-inter-lacer.jpg


ADSL瞄准的是最后一公里, 这里是情况最复杂的, 通讯环境各不相同, 并不能保证每个线路都能达到高速度传输. 因而,在ADSL连接建立之初有一个training-up的过程, 通过DSP分析测试信号, 找出各个信道的可用程度,在不同的信道, 通过分配给信道每个symbol传输的bit数量,调整信道的传输速度.

这一过程不仅在初始阶段, 在运行阶段也是通过监控信道的噪音状况,动态调整, 这个叫bit swap. bit swap是根据信噪比,通过把一些信道的传输的bit交换到另一个信道来维持传输速度,同时优化整体通讯质量. bit swap不会降低整体的传输速度. 但是bit swap改变了能量在通道内的分布,维持最佳能量分配(最低必要能量),能在噪音14Db变化范围内保持通讯速度. 如果超出这个范围, 则需要重新初始化.


ADSL-DMT-adaption.jpg


这种频率划分,和调制方式, 称做DMT(discrete multitone modulation).



[编辑] 2.4.3 Refrence

[编辑] 2.5 FTTx

[编辑] 3 trunk

trunk 连路上经也经历了不同的几个传输技术/传输介质, 最早就是四线音频传输, 到1920s的FDM调制, 后来的L-carrier. 1960s数字化T-Carrier(欧州是E-carrier)开始应用, T-Carrier的介质逐步从四线发展为同轴电缆(T4,T5).

L-carrier是早期的FDM技术,在城市之间使用较多, T-carrier是数字化的信号, 开始阶段多用于连接CO.

[编辑] 3.1 早期FDM

12 Channel carrier System

20世纪 20s, FDM用于电话传输。


[编辑] 3.2 L-carrier

20世纪30s, AT&T开发了利用同轴传输,FDM技术的 L-carrier系统. 从1941到1975年, L-Carrier 从L1发展到L5E. 1980s以后长途L-carrier才逐渐被光纤替代.

  • 同轴传输
  • FDM 多路访问
  • 调制: SSB

Carrier system

L-carrier

L-carrier Heirachy


[编辑] 3.3 T-carrier

1962年AT&T部署第一套T-carrier系统(Telecom-Carrier), 最初多用于CO之间连接, 长距离上依然是FDM的L-carrier主导. 后来推出的高速的T-carrier标准T4,T5采用了同轴介质, 目的是将长途线路的L-carrier替换为T-carrier. 不过,只有少部分线路进行了替换(AT&T), 后来就被光纤一统天下. 数字化的一个很大的推动力是盗用长途电话, 因为简单的拨号控制很容易被破解, 这样电信肯定是要想办法的. 数字化的信令最初靠强制使用音频数据的第8bit传递控制信号(参考T1 Frame), 叫做robbed-bit signaling.

[编辑] 3.3.1 T1

T1功能是将PCM编码的DS0数字信号复用到同一线路(最初是两对双绞线,一个方向用一对). T1是第一层的复用, T-carrier基本的使用方式是,在CO(central Office), 语音信号通过PCM数字化后, TDM复用后形成DS1数据流.

PCM-T1-multiplex.jpg

分时复用信号传输,需要两边时钟是同步的. T1并没有单独传输clock信号, 而是采用了AMI(或类似的B8ZS)编码, 从AMI脉冲来同步本地的DPLL(数字锁相环). AMI(Alternate Mark Inversion,这里的mark指的是1) 编码把1交替编码为 + - 电压, 因此解决又很多个连续1的信号引起的DPLL同步问题(PLL需要足够的跳变来维持同步). 但是并没有解决连续的0的问题.

AMI-encoding.jpg



连续0的问题, T1规定最多连续出现15个0, 这个要求称为1s density requirement. 最初T1只传输音频, 对音频来说,基本确定不会连续出现这么多的0. 并且最早的T1把每一个DS0的第8bit用作信令.(对音频来讲损失一个bit没有什么大不了的). 这样T1的每个DS0通道只能承载56kbps.

随着数据通讯的出现, 这个矛盾就较为突出了,为了解决这个问题, 引入了B8ZS 编码(bipolar 8-zero substitution), 如果AMI编码中传输了8个连续的0, 就传送两个极性一样的1(bipoloar violation,BV),正常是不容许出现极性一样的连续的1的, 通过把0替换为BV 这种方式避免出现长串0. 这种编码对数据通讯极为友好, 能实现64kbps的传输速度.


  • Audio ADC: PCM
  • Multiplex: TDM
  • 早期4线双工 (T4,T5改为RF同轴)
  • Line Code: AMI/B8ZS (suitable for clock sync)
  • PDH 数字复用体系: 不含有全局同步的时钟系统



[编辑] 3.3.2 Old T1 Frame

比较老版本的T1 Frame把每个Frame里的每个DS0的第8bit都占用了(D1 type channel). 当时的信令也就传递电话把手开关的状态(hook,off hook)之类, 比较浪费.

Old T1 Frame stucture.jpg


[编辑] 3.3.3 T1 Frame

后续的T1 Frame 就规定每6个frame才占用第8bit作为信令.

T1 Frame Bit Robbing Signal.jpg


[编辑] 3.3.4 Super Frame

Frame bit的目的是做帧同步,即, 区分帧从哪里开始,否则拆分出来(De-multiplex)的DS0信号必然是混乱的.

最早的T1是让Frame bit (193bit)交替为 0,1 (D1 type channel bank), 原理是长时间检测的话, 自然数据不具有这个模式. 不过很快发现, 1000hz的测试音( 1000hz test tone)正好符合这个规律, 有可能让frame锁定在错误位置. 解决办法是把测试音频率提高的1004Hz.

虽然D2就定义了super Frame, 但是现在说的super Frame就是指D4的定义, 12个连续的Frame组成一个Super Frame, 这12个frame的 帧比特 固定为100011011100,这个值是从偶数帧bit的模式"001110"和奇数帧bit的"101010"合并而来. 这样frame被错误的确定的几率就非常小了, 不过 reframe的时间就稍微长了点.

在后来, 定义了Extened Super Frame, 用24个连续frame. F bit中的6个用作帧同步, 6个用作CRC, 剩下的用作Facility Data Link (FDL) bits(链路数据).


[编辑] 3.3.5 T1 Vs ISDN

ISDN 的目标非常明确, 在trunk连路上, 利用先有的T1线路, 重新定义新的信道分配方式,采用单独信道作为信令通道, 即ISDN PRI的23B+D (T1). 至于T1的其他方面,几乎就是重用,这样最经济. T1的line code, 一般采用B8ZS. 因为取消了将信令放入帧的传递方式, 数据通路可以传输64kbps的数据, 拨号速度也更快了(原来的信令,CAS, 在语音数据中传输, 每6个Frame才能完成一次信令数据传递, 响应受限制).



[编辑] 3.3.6 Reference

[编辑] 3.4 Fiber Optic

Fiber Optic Communication

[编辑] 3.4.1 SONET

[编辑] 3.4.2 PON

[编辑] 3.4.3 NG-PON2

[编辑] 3.5 数字体系

[编辑] 3.5.1 PDH

PDH Plesiochronous System


[编辑] 3.5.2 SDH

[编辑] 4 电话交换

Telephone exchange

[编辑] 4.1 人工

Jersey Telecom switchboard and operator.jpg

[编辑] 4.2 电磁交换

电磁式电话交换机


下面两个视频,非常直观的显示了拨号和电磁交换(机)之间的交互过程, 很明显,就是通过拨号脉冲,选择一条线路,将你的电话和远方连接起来:

CT380:Strowger Step-by-step Demonstration

AT&T Archives: The Step-By-Step Switch

[编辑] 5 网络

[编辑] 5.1 参考资料

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