多功能混合信號(hào)前端加快有線寬帶調(diào)制解調(diào)器和家庭網(wǎng)絡(luò)的定制設(shè)計(jì)

作者：Joe DiPilato, Iuri Mehr, and Brian Harrington

寬帶調(diào)制解調(diào)器（主要基于電纜和DSL技術(shù)）的廣泛增長(zhǎng)使寬帶通信可用于世界各地的住宅家庭，用于互聯(lián)網(wǎng)接入，互動(dòng)游戲和遠(yuǎn)程辦公等應(yīng)用。擁有多臺(tái)個(gè)人電腦（PC）的家庭數(shù)量也在增加。這些設(shè)施的現(xiàn)成可用性導(dǎo)致家庭網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越受歡迎，用于共享工作、學(xué)術(shù)和娛樂(lè)的互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)和打印機(jī)資源。圖1顯示了連接到寬帶網(wǎng)關(guān)和住宅/辦公室內(nèi)各種設(shè)備的典型國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。

圖1.家庭網(wǎng)絡(luò)/寬帶接入配置。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種技術(shù)來(lái)解決家用計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備之間的高速通信，并與集線器（或網(wǎng)關(guān)）接口以進(jìn)行寬帶訪問(wèn)。直到最近，以太網(wǎng)一直是在家庭內(nèi)提供網(wǎng)絡(luò)的最可行方法。以太網(wǎng)的吸引力在于基于成熟技術(shù)的廉價(jià)網(wǎng)絡(luò)接口卡的可用性。然而，以太網(wǎng)有一個(gè)主要缺點(diǎn)——要求在整個(gè)家庭中布線 5 類(lèi) （CAT5） 電纜。這幾乎總是意味著房主必須鋪設(shè)新電線——這是一個(gè)繁瑣且可能昂貴的解決方案。

無(wú)線 LAN 提供了一種不需要安裝新電線的以太網(wǎng)替代方案。盡管無(wú)線解決方案很方便，但由于成本較高、潛在的不安全性、多種競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)、缺乏互操作性以及干擾/魯棒性問(wèn)題，它取得了有限的成功。IEEE 802.11無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的最新進(jìn)展以及WiFi聯(lián)盟的出現(xiàn)增加了無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)的前景。然而，頻譜的稀缺性和無(wú)處不在的強(qiáng)效干擾源（如微波爐、車(chē)庫(kù)開(kāi)門(mén)器等）將繼續(xù)給無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，包括成本增加。

較新的首選有線技術(shù)是那些不需要“新電線”的技術(shù);它們通過(guò)避免安裝新電纜的負(fù)擔(dān)，為房主提供了一種潛在的更好的方式來(lái)建立家庭網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)以可承受的價(jià)格提供與以太網(wǎng)相當(dāng)?shù)男阅?。在已安裝的基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行的兩種選擇涉及電話線或電力線布線。直到最近，由于信道質(zhì)量非常差，利用這種現(xiàn)有的家庭布線進(jìn)行寬帶網(wǎng)絡(luò)是不可能的。然而，由于信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步、硅制造幾何尺寸持續(xù)減少帶來(lái)的成本降低以及高速混合信號(hào)電路性能的提高，具有成本效益的寬帶家庭網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已成為現(xiàn)實(shí)。家庭電話網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（HPNA）標(biāo)準(zhǔn)為電話線網(wǎng)絡(luò)提供了框架，并允許高達(dá)10 Mbits/s的數(shù)據(jù)速率。和 HomePlug?標(biāo)準(zhǔn)描述了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率與HPNA相當(dāng)?shù)碾娏€網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的規(guī)范。

這些有線家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及DSL和電纜等高速接入技術(shù)需要傳輸介質(zhì)（電力線、電纜、雙絞線）與數(shù)字基帶處理器和控制器之間的混合信號(hào)接口。

本文將討論最近推出的AD9875和AD9876 MxFE器件專(zhuān)門(mén)針對(duì)寬帶家庭網(wǎng)絡(luò)和寬帶接入應(yīng)用而開(kāi)發(fā)，這兩種應(yīng)用都需要高數(shù)據(jù)速率或高達(dá)25 MHz的信號(hào)帶寬，并且在功能、性能和成本方面提出了類(lèi)似的要求。鑒于其靈活性，這些器件可用于家庭網(wǎng)絡(luò)（HomePlug，HPNA）和高速數(shù)據(jù)訪問(wèn)（VDSL，電力線）的調(diào)制解調(diào)器。它們專(zhuān)為大容量、成本敏感型消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)，為系統(tǒng)解決方案提供商提供卓越的價(jià)值。

圖2描述了MxFE芯片所發(fā)揮的通用作用。一旦信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)接口，其接收 （Rx） 電路就會(huì)接受來(lái)自傳輸介質(zhì)的（模擬域）信號(hào)，并提供模擬信號(hào)調(diào)理和 A/D 轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生可由數(shù)字物理層 （PHY） 和/或媒體訪問(wèn)控制器 （MAC） 處理的多路復(fù)用數(shù)字信號(hào)。它還接受來(lái)自這些實(shí)體的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理并將其轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)，并將此傳輸 （Tx） 信號(hào)輸出到媒體接口。該器件設(shè)計(jì)基于優(yōu)化系統(tǒng)性能的目標(biāo)，無(wú)論其I/O的模擬或數(shù)字性質(zhì)如何，正如ADI公司的“智能分區(qū)方法”（見(jiàn)附錄）所實(shí)現(xiàn)的那樣。

圖2.典型的有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

圖2表示一個(gè)典型的有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。MxFE功能可以通過(guò)混合變壓器模塊無(wú)源連接到電纜介質(zhì)，也可以主動(dòng)連接到電纜介質(zhì)，接收側(cè)有放大器，發(fā)射側(cè)有驅(qū)動(dòng)器。在數(shù)字端，MxFE 器件需要與駐留在單獨(dú)芯片上的 PHY 和 MAC 接口。

對(duì)于家庭網(wǎng)絡(luò)和高速接入市場(chǎng)的MxFE電路設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，性能、上市時(shí)間和低成本至關(guān)重要的因素。在這種類(lèi)型的新興寬帶通信應(yīng)用中，分立式模擬元件可能非常昂貴、耗電且對(duì)電路板空間要求很高。通過(guò)將困難的混合信號(hào)、模擬、數(shù)字和信號(hào)處理功能集成到單個(gè)芯片（如AD9875/AD9876）上，實(shí)現(xiàn)了成本、性能、尺寸和功耗的組合，使復(fù)雜的消費(fèi)市場(chǎng)通信產(chǎn)品成為可能。事實(shí)上，通過(guò)在數(shù)字門(mén)陣列或ASIC中實(shí)施其知識(shí)產(chǎn)權(quán)和設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，結(jié)合這些器件，設(shè)計(jì)工程師可以比以往更快地開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和原型，以利用快速變化的市場(chǎng)。

圖3所示為用于寬帶調(diào)制解調(diào)器的混合信號(hào)前端轉(zhuǎn)換器AD9875/AD9876的框圖。在模擬方面，AD9875和AD9876集成了ADC、DAC、時(shí)鐘生成、可編程增益放大以及模擬和數(shù)字濾波電路，以提供通常采用成本更高的分立解決方案實(shí)現(xiàn)的集成度和性能水平。該ADC采用流水線多級(jí)架構(gòu)，在低功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高采樣速率。在AD9875中，接收路徑在9 MSPS時(shí)提供5.32 ENOB，在8 MSPS時(shí)提供6.50 ENOB。AD9876的可比數(shù)字為10.2 ENOB @ 32 MSPS和9.3 ENOB @ 50 MSPS。每個(gè)器件中的DAC分別為10位和12位插值TxDAC?電路。

在數(shù)字端，DAC輸入和ADC輸出位于單獨(dú)的端口上，以適應(yīng)全雙工和半雙工操作。每個(gè)轉(zhuǎn)換器的端口都多路復(fù)用為高字節(jié)和低字節(jié)，以減少封裝引腳的數(shù)量。[10年夏季上市的9875位半雙工器件AD2002-HD將無(wú)縫連接到目前可用的符合HomePlug標(biāo)準(zhǔn)的物理層數(shù)字ASIC，該ASIC支持多路復(fù)用發(fā)送和接收數(shù)據(jù)端口。

圖3.AD9875/6原理框圖

低成本、靈活、高性能、現(xiàn)成的混合信號(hào)前端（如這些）的可用性，以及使用各種調(diào)制格式（包括 OFDM）的寬帶調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)優(yōu)化功能，簡(jiǎn)化了供應(yīng)商和 OEM 的 ASIC 設(shè)計(jì)、規(guī)格和測(cè)試流程，并可大幅縮短上市時(shí)間。AD9875/AD9876的獨(dú)特特性使這些器件非常適合電話和電力線網(wǎng)絡(luò)以及某些xDSL應(yīng)用。

寬帶有線調(diào)制解調(diào)器

寬帶調(diào)制解調(diào)器中常見(jiàn)的具有高峰均比的寬帶信號(hào)（無(wú)論采用何種調(diào)制方案）對(duì)系統(tǒng)的模擬和混合信號(hào)處理組件提出了很高的要求。圖2和圖9875中的AD9876/AD3框圖共同顯示了通用有線寬帶調(diào)制解調(diào)器的詳細(xì)信息。并非每個(gè)調(diào)制解調(diào)器都需要顯示的每個(gè)模塊，盡管它們中的大多數(shù)確實(shí)采用相同或相似的功能，而其他調(diào)制解調(diào)器甚至可能需要額外的功能塊，如額外的模擬濾波。有線調(diào)制解調(diào)器的塊級(jí)組件可分為三個(gè)主要功能;發(fā)送路徑、線路耦合器或混合路徑以及接收路徑。大多數(shù)發(fā)射和接收模塊由AD9875/AD9876元件直接尋址。

發(fā)射路徑的主要功能是以足夠的保真度將信號(hào)發(fā)送到線路上，以足夠高的信噪比（SNR）到達(dá)導(dǎo)線的遠(yuǎn)端，從而允許在接收器端進(jìn)行忠實(shí)的解碼。通常，發(fā)射器還必須在符合頻譜模板的同時(shí)執(zhí)行此操作，以確保調(diào)制解調(diào)器不會(huì)在其通道帶寬之外造成過(guò)多的噪聲。滿足功率譜密度（PSD）模板的要求通常會(huì)推動(dòng)發(fā)射路徑組件的設(shè)計(jì)和性能要求。最受關(guān)注的兩個(gè)轉(zhuǎn)換器參數(shù)是位數(shù)和采樣率。

對(duì)于DAC，所需的位數(shù)將取決于所需的SNR、信號(hào)的峰均比（PAR）以及信號(hào)帶寬與采樣速率的比值。對(duì)于給定的SNR要求，隨著信號(hào)帶寬和PAR的增加，需要更高精度的轉(zhuǎn)換器。通常，最苛刻的DAC性能參數(shù)是其無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。非理想DAC傳遞函數(shù)產(chǎn)生的雜散可能出現(xiàn)在頻譜中的任何位置。如果雜散的幅度很高并且落在信號(hào)頻段附近，則可能無(wú)法充分濾波。DAC的SFDR性能必須能夠滿足系統(tǒng)線性度要求。

AD9875/AD9876集成10位/12位DAC，并利用插值濾波器對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)采樣。過(guò)采樣，因?yàn)樗笵AC鏡像頻率遠(yuǎn)離目標(biāo)信號(hào)的頻率，可能會(huì)導(dǎo)致外部模擬濾波器要求大大簡(jiǎn)化，從而降低復(fù)雜性和成本。理想情況下，驅(qū)動(dòng)器將能夠提供發(fā)射路徑增益并提供所需的輸出功率，同時(shí)保持DAC線性度性能。在DAC的可用峰值輸出功率不足的情況下，AD832x電纜驅(qū)動(dòng)器或AD8xxx DSL驅(qū)動(dòng)器可以提供導(dǎo)線接口。為了提供具有低失真的高峰值輸出信號(hào)，放大器的輸出級(jí)需要高電壓軌和高偏置電流，這與低功耗和CMOS集成的需求相沖突。

調(diào)制解調(diào)器的模擬前端耦合到線路的方法取決于調(diào)制/解調(diào)（調(diào)制解調(diào)器）的類(lèi)型是時(shí)域雙工（TDD）還是頻域雙工（FDD ）。TDD調(diào)制解調(diào)器通常采用簡(jiǎn)單的變壓器耦合到線路，以及將發(fā)射器或接收器連接到變壓器的開(kāi)關(guān)。主要問(wèn)題是連接時(shí)的開(kāi)關(guān)和建立時(shí)間是否滿足系統(tǒng)要求。FDD調(diào)制解調(diào)器通常采用混合模式將調(diào)制解調(diào)器的模擬前端連接到線路。需要混合信號(hào)，因?yàn)檎{(diào)制解調(diào)器可以傳輸大信號(hào)，而接收器正在偵聽(tīng)衰減很大的信號(hào)，這些信號(hào)可能要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。為了限制從發(fā)射器到接收器的信號(hào)耦合量，使用了某種類(lèi)型的線路匹配、消除電路和濾波。AD9875/AD9876集成了一個(gè)具有可變截止頻率的低通模擬接收濾波器（圖3中的LPF），可滿足各種信號(hào)帶寬要求。

接收器在接收通道帶寬內(nèi)保持輸入信號(hào)SNR的有效性將是調(diào)制解調(diào)器原始數(shù)據(jù)速率的最重要決定因素。接收信號(hào)在信號(hào)帶寬上的信噪比，由信道確定;對(duì)通道將承載的數(shù)據(jù)量進(jìn)行了基本限制。線路接口和數(shù)字輸出樣本之間的電路中超出此范圍的任何性能下降都被視為實(shí)現(xiàn)噪聲，并由接收器的質(zhì)量決定。接收器的工作是消除帶外信道噪聲并補(bǔ)償信號(hào)衰減，然后將模擬信號(hào)數(shù)字化以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)處理。

線路上的帶外噪聲和干擾以兩種方式降低接收器SNR。首先，通過(guò)采樣過(guò)程，可以將存在的噪聲折回目標(biāo)信號(hào)頻帶，從而提高現(xiàn)有的本底噪聲。其次，如果噪聲和干擾比所需信號(hào)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這將降低可用于補(bǔ)償信號(hào)衰減的增益，從而再次導(dǎo)致SNR降低。有效的過(guò)濾對(duì)于減少這些影響至關(guān)重要。為了優(yōu)化噪聲和失真性能，片內(nèi)實(shí)現(xiàn)了可變?cè)鲆娣糯笃?/u>。該功能由一個(gè)連續(xù)時(shí)間可編程增益級(jí)（圖3中的CPGA）和一個(gè)離散時(shí)間開(kāi)關(guān)可編程增益級(jí)（SPGA）共享，夾在LPF之間。在SVGA之后，12/10位ADC以高達(dá)50 MHz的采樣率對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。