基于CX88168、CX20463和CX20437芯片實(shí)現(xiàn)高速M(fèi)ODEM的設(shè)計(jì)

隨著因特網(wǎng)的普及和發(fā)展，上網(wǎng)的用戶數(shù)正不斷增加，各種各樣的上網(wǎng)手段層出不窮。但對于廣大網(wǎng)民來說，采用MODEM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸卻是一種最常用的接入方式。面對這樣一個巨大市場，世界各大芯片制造商相繼推出了自己的MODEM芯片組，并不斷在簡化硬件設(shè)計(jì)和提高M(jìn)ODEM的傳輸速率上下功夫。ROCKWELL公司（由CONEXANT公司生產(chǎn)）推出了一款全新的MODEM芯片組--SmartSCM/56S，它能支持新一代計(jì)算機(jī)高速M(fèi)ODEM標(biāo)準(zhǔn)--V.90，并向下兼容ROCKWELL原有的56k MODEM 標(biāo)準(zhǔn)--K56flex，以及ITU-T的V.34、V.32bis、V.22、V.21等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。其核心芯片是CX88168單片調(diào)制解調(diào)芯片，外加一片CX20463線路接口芯片和一片CX20437語音編解碼芯片。該芯片組所用的芯片數(shù)較少、外圍電路簡單，采用它可以較快地設(shè)計(jì)出體積小、功能強(qiáng)、支持多種協(xié)議和多種應(yīng)用的高速M(fèi)ODEM。

本文將就這種符合V.90標(biāo)準(zhǔn)的高速M(fèi)ODEM的工作模型、硬件構(gòu)成、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題等進(jìn)行系統(tǒng)的描述，最后給出這種MODEM的一些調(diào)試方法。

1 V.90高速M(fèi)ODEM的工作模型及原理

在討論V.90高速 MODEM 電路設(shè)計(jì)之前，先闡述一下V.90高速M(fèi)ODEM的工作模型和工作原理。

基于V.90 標(biāo)準(zhǔn)的MODEM與通常的V系列MODEM有所不同，它在設(shè)計(jì)上突破了傳統(tǒng)的對稱通信模式，采用的是一種不對稱的通信模式（如圖1所示），使用戶在進(jìn)行終端到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的連接時（Home to ISP），可以享受56kb/s的下行速率，而上行速率仍然和原有V.34MODEM一樣，只有33.6kb/s。

該不對稱通信模型與傳統(tǒng)的對稱通信模型的本質(zhì)差別在于：ISP點(diǎn)的數(shù)字V.90 MODEM是采用B交換局提供的數(shù)字專線直接與局間高速數(shù)字線路相連，使ISP點(diǎn)到用戶的下行信道不再需要經(jīng)過Ｂ交換局交換機(jī)中A律A/D轉(zhuǎn)換器，從而突破了因A/D轉(zhuǎn)換器引入量化噪聲所產(chǎn)生的MODEM速率瓶頸。

從信息編碼角度看，下行信道之所以能達(dá)到56kb/s的傳輸速率，其原因就在于下行方向采用PCM編碼技術(shù)，ISP點(diǎn)與交換局是通過數(shù)字接口連接的，下行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)無需進(jìn)行A律A/D轉(zhuǎn)換，而直接通過數(shù)字復(fù)接設(shè)備進(jìn)入數(shù)字交換網(wǎng)。到達(dá)交換局A后，經(jīng)過一次A律D/A轉(zhuǎn)換和脈沖形成濾波，PCM碼就被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的離散電壓，并通過電話線送到客戶端V.90模擬MODEM上。客戶端V.90模擬MODEM把接收到的信號重新轉(zhuǎn)換成離散的PCM碼，并解碼輸出發(fā)端所發(fā)送的信息。

本文所設(shè)計(jì)的模擬V.90 MODEM的解碼任務(wù)就是鑒別這256個可能的離散電壓值（8bit的PCM編碼），并將其還原為8000 PCM碼/秒（采樣率8000次/秒）。因此，從理論上說采用PCM編碼技術(shù)的模擬V.90 MODEM，其數(shù)據(jù)下行速率應(yīng)能接近64kb/s。但是，采用A律解擴(kuò)技術(shù)的D/A轉(zhuǎn)換器在接近于零的各個DAC輸出電壓太過接近，使得信號在經(jīng)過噪聲線路傳輸后，模擬V.90 MODEM很難精確地區(qū)分出各離散電壓，所以，V.90協(xié)議在編碼端只選用最可靠的128個電壓用于56kb/s下行速率。

在模擬V.90 MODEM連接的上行信道中，需要經(jīng)過A交換局的A律A/D轉(zhuǎn)換器，這就必然會引入量化噪聲，這種采用A律13折線壓縮非均勻量化的信噪比可用下式計(jì)算8，即

式中，c表示語音信號的動態(tài)范圍，p？x表示語音信號的幅度概率密度服從拉普拉斯分布，n為PCM編碼的位數(shù)，dy/dx表示13折線各段所對應(yīng)的斜率。根據(jù)上述公式，本文給出用MATLAB繪出的A律13折線壓縮非均勻量化信噪比的特性曲線（見圖2）。

從圖2中可看出，語音信號經(jīng)過一次模/數(shù)轉(zhuǎn)換，其信噪比只有35～37dB。一般電話通信設(shè)備在設(shè)計(jì)時，基本上都是按40dB的輸入動態(tài)范圍考慮，如果假設(shè)非均勻量化信噪比S/N＝35dB，電話線實(shí)際可利用的帶寬W＝3000Hz，根據(jù)Shannon定理，在帶寬受限的信道上信息傳輸速率X（bit/s）計(jì)算公式為：

X＝Wlog2？1＋10 S/N /10 ？5

因而，我們可從理論上估算出本文所設(shè)計(jì)的模擬V.90 MODEM的上行通信速率應(yīng)在35 kbit/s以下。用V.34協(xié)議進(jìn)行通信時，上行通信速率限定在33.6 kbit/s以下。

2 V.90高速M(fèi)ODEM的實(shí)現(xiàn)及其性能特點(diǎn)

CX88168單片調(diào)制解調(diào)芯片（SCM）是128pin的TQFP封裝，內(nèi)部包含微控制器（MCU），數(shù)據(jù)泵（MDP）、256K字節(jié)ROM、32K字節(jié)RAM以及與DAA的接口電路。此外，CX88168還可以根據(jù)實(shí)際需要外接256kbit串行EEPROM、4Mbits ROM/flash ROM和1Mbit RAM。與CX88168相配套的DAA芯片是CX20463，用以提供與外圍電話電路的模擬接口。如果需要MODEM提供語音功能，還需要增加一片語音編解碼芯片CX20437。筆者采用這套芯片組設(shè)計(jì)了一種基于V.90的高速M(fèi)ODEM，其硬件原理框圖如圖3所示。

這種高速M(fèi)ODEM總體上可分為三個部分：一個是數(shù)字部分，主要完成AT命令的解釋和處理、數(shù)字信號的調(diào)制和解調(diào)。以及一些其他數(shù)字信號的處理；另一個是DAA模擬線路接口部分（圖3中虛線框內(nèi)），主要提供與電話網(wǎng)的模擬接口；再一個就是語音模擬部分（圖3中點(diǎn)劃線框內(nèi)），這部分主要是話筒及麥克風(fēng)的接口電路。DAA模擬線路接口部分與數(shù)字部分通過數(shù)字隔離變壓器來隔離，CX88168通過隔離變壓器傳送CX20463所需的數(shù)據(jù)時鐘信號并提供電源，它們之間的數(shù)據(jù)通過10Pf/2kV的高壓電容進(jìn)行傳輸。采用這種設(shè)計(jì)方法可將DAA線路接口部分與MODEM的其它部分完全隔離開來，避免了兩部分電路相互干擾，也可防止電話線路的高電壓損壞MODEM的調(diào)制解調(diào)芯片。CX20463及其外圍接口分立元件主要完成輸入/輸出信號的增益控制、振鈴檢測、數(shù)/模轉(zhuǎn)換等功能，并要求在摘機(jī)狀態(tài)下為電話線路提供600Ω的負(fù)載。語音編解碼芯片CX20437內(nèi)有A/D、D/A及語音編解碼電路，使MODEM增加了語音處理功能。圖３中專門配置的EEPROM 用于修改CX88168內(nèi)ROM的廠家Caller ID設(shè)置以及其它用戶參數(shù)設(shè)置。當(dāng)MODEM上電后會首先調(diào)用EEPROM內(nèi)用戶設(shè)置的內(nèi)容。MAX3237用于實(shí)現(xiàn)RS232/TTL電平轉(zhuǎn)換。74HC244用于驅(qū)動指示用的一組發(fā)光二極管。

本文所設(shè)計(jì)的MODEM具有以下幾個性能特點(diǎn)：

（1）支持ITU-T V.90/K56flex/V.34/V.32bit/V.22/V.21協(xié)議；

（2）支持ITU-T V.42 LAPM 和 MNP 2-4 數(shù)據(jù)糾錯協(xié)議；

（3）支持ITU-T V.42bis 和 MNP 5 數(shù)據(jù)壓縮協(xié)議；

（4）支持全雙工的語音通話模式；

（5）支持Caller ID功能；

（6）支持即插即用功能；

（7）提供EEPROM電路，使用戶可對MODEM應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行設(shè)置； （8）+3.3V電源供電，但允許DTE輸入TTL電平。

3 V.90高速M(fèi)ODEM設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

MODEM的設(shè)計(jì)很重要的一環(huán)就是抗干擾、抗噪聲設(shè)計(jì)，這里包括器件的選擇、各種接口的設(shè)計(jì)以及電路板的設(shè)計(jì)等。這是由于MODEM內(nèi)既有高速數(shù)字信號處理電路，又有模擬電路，還有DAA模擬線路接口電路。這三種線路的電氣特性各不相同，處理不好極易引起相互間的干擾，輕則使MODEM的速率下降，重則使MODEM無法正常工作。

3.1 器件的選擇

MODEM設(shè)計(jì)中模擬器件的選擇是十分講究的，特別是DAA模擬線路接口部分的電阻、電容、三極管等器件，設(shè)計(jì)時對這些器件的精度、耐壓、容量等參數(shù)都有嚴(yán)格的要求。DAA模擬線路接口電路中的阻抗匹配電路、收發(fā)電路等就要求其外圍電阻采用精密電阻（1%精度），這些電阻的選擇將直接影響MODEM速率的高低。而DAA模擬線路接口電路中振鈴檢測電路、模擬摘機(jī)電路、RJ-11接口的抗電磁干擾電路則對所選的電容、三極管的耐壓有嚴(yán)格的要求。RJ-11接口的抗電磁干擾電路所用的電容一般要求能有2000V以上的耐壓，這主要是為了防止雷擊對電路的損害。振鈴檢測電路的隔直電容均要求有250V以上的耐壓，這是為了防止振鈴信號（有效值75±15V）擊穿電容。構(gòu)成模擬摘機(jī)電路的兩個三極管組成達(dá)林頓電路，該電路的主要作用是在電話摘機(jī)后，為電話線路提供600Ω的負(fù)載（電話摘機(jī)后，電話線路的環(huán)路電流必須大于18mA），要求這兩個三極管的耐壓要在400V以上，因?yàn)樵陔娫捳疋徠陂g，MODEM進(jìn)行模擬摘機(jī)時，如果三極管的耐壓不夠，振鈴信號極易擊穿管子。圖4給出了MODEM的模擬摘機(jī)電路。

3.2 電路的抗干擾設(shè)計(jì)

MODEM電路抗干擾設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)中很重要的一環(huán)，它涉及許多方面的知識和一些細(xì)節(jié)問題。限于篇幅，本文僅就設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的基本原則和電源連接做一些介紹。

3.2.1 基本原則

· 從布局來說，MODEM的數(shù)字部分、語音模擬部分、DAA模擬線路接口部分這三部分應(yīng)各自獨(dú)立。數(shù)字和語音模擬部分占線路板的3/4，DAA模擬部分占1/4。除DAA模擬部分所占區(qū)域外的所有空余部分（包括芯片的底部），盡量用數(shù)字地填充（雙面板的數(shù)字地通過過孔多點(diǎn)相連）。

·數(shù)字信號線、語音模擬信號線、DAA模擬信號線不要靠在一起平行走線，這樣可避免數(shù)字信號對模擬信號產(chǎn)生干擾。

·高速數(shù)據(jù)線、時鐘線、晶振引出線等易產(chǎn)生干擾的軌線應(yīng)盡量短，盡量不經(jīng)過過孔。所謂的易產(chǎn)生干擾的軌線具體指的是串行數(shù)據(jù)線、CX88168與CX20463連接的時鐘線和數(shù)據(jù)線、CX88168外掛的28.224MHz的晶振引線。

·語音模擬信號線、DAA模擬信號線等易受干擾的軌線也應(yīng)盡量短，盡量遠(yuǎn)離數(shù)字信號。所謂的易受干擾的軌線主要是指CX20737電路的VREF、VC、麥克風(fēng)和聽筒的引線及CX20463與電話線相連的軌線。

·所有信號線應(yīng)遠(yuǎn)離振蕩電路，28.224MHz晶振的金屬外殼應(yīng)接地。

·無論是數(shù)字地還是模擬地，接地走線都不要形成回環(huán)。

·為了減小電磁干擾，MODEM的所有引入線的接口端都應(yīng)串接高頻磁珠，至少在電源接口和電話線接口端要加高頻磁珠和高頻濾波電容。

·芯片電源和地之間用0.1μF獨(dú)石電容和10μF的鉭電容并接去耦。如果電源走線較長，需每隔一段加一組去耦電容。

3.2.2 電源的連接問題

MODEM內(nèi)的各部分電路均有自己的電源，各電源間有的相互獨(dú)立，有的又相互聯(lián)系。①以CX88168為核心的數(shù)字電路部分采用+3.3V電源供電（VCC），數(shù)字電路的接地線和電源地接在一起形成大面積的數(shù)字地（GND）。②具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能的語音芯片CX20437的供電電路由兩部分組成，數(shù)字部分的供電電源還是+3.3V電源供電（VCC），這部分的地線也是數(shù)字地（GND）；另外一部分是模擬部分，模擬電源線（AVCC）匯集在一起后通過軟鐵氧體磁珠接入+3.3V電源（VCC），模擬地線（AGND）匯集在一起后通過短路線單點(diǎn)接入數(shù)字地（GND）。③以CX20463為核心的DAA模擬線路接口部分的供電也分成模擬和數(shù)字兩部分，這兩部分的電源與+3.3V電源完全隔離，數(shù)字部分的電源（DVDD）和模擬部分的電源（AVDD）是通過對隔離變壓器次級輸出的交變信號進(jìn)行半波整流、濾波、穩(wěn)壓而得到的， DVDD和AVDD之間用短而粗的軌線相接。這部分的模擬地（AGND-LSD）和數(shù)字地（GND-LSD）也是各自匯集成兩塊地，最后通過短路線單點(diǎn)彼此相連，這部分的地是浮地，和電話線路相接。

4 V.90高速M(fèi)ODEM的功能測試

在確認(rèn)所有設(shè)計(jì)、安裝、焊接基本上沒什么問題后，就可以上電測試MODEM了。MODEM上電后，單片調(diào)制解調(diào)芯片（CX88168）首先進(jìn)行自檢，DTR指示燈先亮后滅，CTS指示燈在DTR指示燈熄滅后亮起來，這表示MODEM自檢通過，處于等待發(fā)送狀態(tài)。將MODEM與計(jì)算機(jī)串口相連，打開MODEM的電源，并啟動超級終端軟件，正常情況下DTR指示燈和RTS指示燈常亮，CTS指示燈隨后也亮起來，這表明計(jì)算機(jī)已和MODEM相連，可以進(jìn)行通信。這時輸入“AT”命令，計(jì)算機(jī)屏幕上應(yīng)能顯示MODEM回送的“OK”信息，自此，基本上可保證MODEM的調(diào)制解調(diào)部分硬件上沒什么問題。如果接入計(jì)算機(jī)，DTR指示燈不亮，表明數(shù)據(jù)終端沒有和MODEM建立連接，應(yīng)檢查串口電路是否連接正確，是否接口電路設(shè)計(jì)存在問題。

接下來就是對DAA電路的測試。用 AT命令撥號，如果能撥通電話，就表明DAA電路部分工作正常。如果無法撥通，首先應(yīng)檢查模擬摘機(jī)電路工作是否正常，通常在撥號狀態(tài)下電話線路上的電壓應(yīng)低于10V（這時環(huán)路電流并不好測），如達(dá)不到該要求應(yīng)調(diào)整模擬摘機(jī)電路的相關(guān)參數(shù)。

上述過程都測試完成后，接下來就是對語音電路和Call ID功能的測試。

根據(jù)表1所提供的有關(guān)MODEM語音模式的AT命令，用戶就可以利用MODEM的語音功能和普通電話用戶通話。如果對方聽到的聲音呈斷續(xù)狀態(tài)，表明MODEM的麥克風(fēng)輸入增益調(diào)得太高，造成語音信道阻塞，這時可調(diào)整麥克風(fēng)輸入增益，或?qū)⒃捦策m當(dāng)拿遠(yuǎn)一些。如果用戶有申請Call ID功能，那么計(jì)算機(jī)在收到第一個MODEM返回代碼“R”后，就可以收到Call ID信息。當(dāng)MODEM初始化命令設(shè)為“AT+VCID＝1”時，Call ID信息是以ASCII碼形式返回，信息格式如下（以實(shí)際收到的數(shù)據(jù)為例）：

DATE ＝ 1103

TIME ＝ 1610

NMBR ＝ 2183056

如果無法正確顯示，應(yīng)檢查一下MODEM的國家代碼設(shè)置是否正確，寫入EEPROM內(nèi)的有關(guān)Call ID 的設(shè)置是否正確。

完成上述幾個步驟的測試后，最后是對MODEM進(jìn)行系統(tǒng)測試。用所設(shè)計(jì)的MODEM撥號上網(wǎng)，用“AT#UD”、“AT%L”、“AT%Q”測試MODEM，如果發(fā)現(xiàn)MODEM的傳輸速率偏低，這一般是由于MODEM與電話線相接的匹配電阻精度和穩(wěn)定性不高，或是電路板的設(shè)計(jì)、布局及本身質(zhì)量出了問題造成的?？梢赃m當(dāng)調(diào)整匹配電阻，或是重新設(shè)計(jì)電路板，直到獲得滿意的效果為止。

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