远程监控通信方式与xDSL技术的研究

1 引言

　　现行的远程监控系统通信通常采用两种方式：一种是采用光纤作为传输手段，另一种是采用视频电缆传输方式。这两种通信方式在野外等特殊环境中都存在不同程度的问题。

　　光纤传输方式：在野外等特殊环境中，光纤监控系统中的光纤架敷设在野外露天环境，由于环境恶劣，如果有冲击、碰撞、人为破坏等情况发生，都会造成传输光缆断缆或断芯，而光缆断裂后，很难快速修复。因为焊接技术复杂，设备昂贵，普通用户根本无法进行恢复。再加上光端机价格较高，这些都限制了光纤传输方式的应用和普及。

　　视频电缆传输方式：由于视频电缆的传输距离短，因此，必须采用中继器实现远程传输，而在野外等恶劣环境中，中继设备的串入必然降低系统的可靠性，同时，中继器是有源设备，中继设备的供电也是一个很困难的事，而且视频电缆断缆后，其维护也远比双绞线复杂。所以，视频电缆传输方式也没有得到推广。

　　随着技术的迅速发展，一种全新的利用普通电话线进行数据传输的技术——xDSL技术应运而生，它彻底打破了高速通信由光纤独揽的局面。这种被称为“点铜为金（CopperGold）”技术为远程数据传输带来了新的希望。

2 xDSL技术方案

　　DSL是英文Digital Subscriber Line的缩写，即所谓的数字用户环路。DSL技术是基于普通电话线的宽带接入技术，它在同一铜线上分别传送数据和语音信号。目前存在有HDSL、SDSL 、VDSL 、ADSL与RADSL等多种不同类型的DSL接入技术。为了方便起见，人们常常把这些DSL技术统称为“xDSL”技术。这些DSL接入技术的基础系统架构与原理基本上是相似的，按这些技术在信号传输速率与距离、具体实现方式及上、下行速率的对称性等方面是否相同可分为速率对称型和速率非对称型两种。

　　速率对称型的xDSL有HDSL、SDSL (Single line DSL)等多种形式。非对称型的xDSL有ADSL（Asymmetric DSL）和VDSL（Very high bit rateDSL）等数种。因其下行速率很高，适用于下行数据量很大的Internet业务。最近又出现了速率自适应的ADSL（RADSL：Rate adaptive ADSL），它克服了ADSL在强噪声条件下中断通信的缺点，能自适应地降低速率保持通信连接。

　　xDSL采用的调制/解调方式有2B1Q（2 Binary 1 Quarterary）、CAP（Carrierless Amplitude/Phase modulation）和DMT（Discrete Multi-Tone）三种。它们都要利用高频频带。由于高频信号损耗大并易受噪声干扰，因此速率越高，传输距离越近。此外传输速率还与双绞线的线径和质量有关。

2.1 ADSL技术

　　ADSL是由Bellcore的Joe Lechleider于八十年代末首先提出的利用电话网用户环路中的铜双绞线传送双向不对称比特率数据的方法。ADSL基本系统是由安装在电话线两端的一对高性能调制解调器组成。ADSL系统可提供三条信息通道：高速下行信道、中速双工信道和普通电话业务（POTS）信道。ADSL采用频分复用技术，利用滤波器分离不同信道的信息，如果ADSL设备发生故障，普通电话业务（POTS）将不受影响。高速下行信道的速率范围为1.5-8Mbps，双工信道的速率范围为16Kbps-1Mbps。

　　目前被广泛采用的ADSL调制技术有3种：QAM(Quadature Amplitude modulation)、CAP(Carrierless Amplitude-phase Modulation)、DMT(Discrete Multi Tone)，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。但由于此项标准推出时间不长,目前仍有相当数量的ADSL产品采用QAM或CAP调制技术。

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　　ADSL系统的传输信号的最长距离因线径的粗细、信号传输速率的高低而有所不同。其对应关系如下表1所示。

2.2 HDSL技术

　　HDSL技术是一种对称的DSL技术，即上下行速率一样。HDSL利用现有电话用户线的两对来提供全双工的1.544Mbps(T1)或2.048Mbps(E1)信号传输。其上下传速度是完全一样的，这是与ADSL的最大区别。如果使用一对双绞线，则速度可达784-1040kbps。HDSL/SDSL的优点是双向对称，速率比较高，充分利用现有电缆实现扩容，传输距离长达6～10公里。其缺点是需要两对线缆。现有的HDSL产品的所有限制将在“下一代”HDSL中解决，这就是HDSL2，这里的“2”代表“第二代HDSL”，它仅使用一对双绞线。

　　HDSL系统常采用的线路码型有两种：2B1Q码和CAP码。2B1Q是无冗余的四电平脉冲码，属基带传输码，即用1位四进（quaternary）码组表示2位二进制（Binary）码组。CAP(Carrierless Amplitude/Phase modulation)码是无载波调幅调相技术，有冗余调码，属带通型传输码。在HDSL系统中，CAP码常和时间压缩调制TCM(Time Compression Modulation)结合使用。CAP的功率频谱滤除了低频和高频部分，克服2BIQ的缺点，因而传输距离远，误码率低，抗干扰能力强，对外界干扰小。由于CAP码带宽较2BIQ减小一半，使传输速率提高一倍。采用CAP码的HDSL系统在两对双绞线上传输时，其传输性能优于2B1Q 编码的HDSL系统传输性能。由于历史原因，早期HDSL系统采用2B1Q码，因而已经在市场上占有一席之地。例如百灵（PairGain）、RAD、台联（Tainet）、AT&T等很多厂家都提供采用2B1Q编码的HDSL系统。而CAP编码技术出现得晚一些，加之技术较为复杂，成本相应略高，但相同传输速度情况下，采用CAP编码的HDSL比采用2B1Q编码的HDSL传输距离长40%左右，所以，CAP编码将成为的HDSL的主流。HDSL支持的最大传输距离与其系统的线径及线对数量有关，如下表2所示：

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3 xDSL技术的应用

3.1 应用ADSL技术

　　由于双交线（电缆）的线径比普通电话线粗得多，一般为0.7mm——0.9mm，所以，ADSL在这种电缆上的最大有效传输距离可达5公里以上。试想，如果能成功地将这种双绞线宽带传输技术应用于野外露天，必将开辟一条全新的数据传输途径。然而，虽然世界许多公司都推出了自己的ADSL产品，但这些产品无一例外都是基于电信的，它们的局端（CO）全部是基于程控交换机或ATM交换机的，所有局端都是插在一个称之为机架（DSLAM）的设备中，由于机身庞大、价格昂贵，所以极大地限制了这项宽带技术在其它领域的应用。如果要将这一技术应用到计算机监控等领域，就必须改造局端，使改造后局端简捷、小巧、价格低廉，具体解决方案如下。

　　基于法国Alcatel公司“DynaMite”解决方案，使用MTK系列ADSL套片和相应的参考方案改造局端。用DSP芯片或MPC 8XX处理器系列搭构一个数据转换卡，去掉原来的DSLAM机架。现在已将这种改造后的 ADSL技术应用于视频监控系统中。

　　应用这种改造方案的井下视频监控系统的基本结构如图1所示：

 　　图1 基于ADSL传输技术的远程视频监控系统

　　视频监控系统使用ADSL技术作为传输手段的主要原因：ADSL技术属xDSL技术群中的非对称型，它的下行速度比上行速度高很多，这恰好符合视频监控系统中传送视频图像数据的需要，可以最为充分地利用双绞线的带宽。

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3.2 应用HDSL技术

　　将HDSL技术应用于移动通讯系统中，基站和交换机之间的数据传输如图2所示。

　　具体解决方案如下：采用百灵（PairGain）、RAD、台联（Tainet）、AT&T等公司提供的解决方案, 按照HDSL技术的要求，自己组织数据格式，用FPGA芯片构造接口转换卡。

　　移动通讯系统使用HDSL技术作为传输手段的主要原因：HDSL技术属xDSL技术群中的对称型，它的上下行速度完全相同，这恰好符合移动通讯系统中各基站与交换机之间互传数据特点，不仅可以充分地利用双绞线的带宽，而且由于HDSL技术传输距离更远，所以，采用这种方案建设的移动通讯系统具有更为宽广的有效通讯范围。

4 结论

　　除了上面提到的ADSL和HDSL技术以外，xDSL技术群还包括RADSL（速率自适应非对称数字用户环路）、SDSL（单线数字用户环路）、VDSL（宽带接入技术）。下面对xDSL技术群做一个总结，其结果如下表3所示。

　　从上面的对比中不难看出，基于普通铜质双绞线的xDSL技术群中ADSL和HDSL二种传输方式更适合用于野外数据的传输工作。它们不仅降低的传输的成本，更使传输系统的维护工作大大简化。