多功能混合信號前端助力有線寬帶調制解調器和家庭網絡的設計

簡介

寬帶調制解調器的廣泛發(fā)展（主要基于有線和DSL技術）使全球住宅家庭可以使用寬帶通信，用于互聯(lián)網接入，互動游戲等應用。遠程辦公。擁有多臺個人電腦（PC）的家庭數量也在增加。這些設施的現成可用性已經導致家庭網絡的日益普及，用于共享因特網訪問和用于工作，學術和娛樂的打印機資源。圖1顯示了連接到寬帶網關和住宅/辦公室內各種設備的典型家庭網絡。

已經開發(fā)了各種技術來解決家庭計算機之間的高速通信問題。外圍設備 - 以及與集線器（或網關）的接口，用于寬帶接入。直到最近，以太網一直是在家中提供網絡的最可行的方法。以太網的吸引力在于基于成熟技術的廉價網絡接口卡的可用性。然而，以太網存在一個主要缺點 - 需要在整個家庭中連接 5類（CAT5）電纜。這幾乎總是意味著房主必須運行新線路 - 這是一種繁瑣且可能很昂貴的解決方案。

無線局域網提供了以太網的替代方案，無需安裝新線路。盡管無線解決方案具有便利性，但由于成本較高，潛在的不安全性，多個競爭標準，缺乏互操作性以及干擾/穩(wěn)健性問題，它取得了有限的成功。 IEEE 802.11中的無線標準的最新進展以及WiFi聯(lián)盟的出現增加了無線家庭網絡的前景。盡管如此，頻譜的稀缺性以及諸如微波爐，車庫門開啟器等強效干擾物的普遍存在將繼續(xù)給無線家庭網絡帶來許多挑戰(zhàn)，包括增加成本。

較新的首選有線技術是那些需要“無需新線”的技術;它們通過避免安裝新布線的負擔，為房主提供了建立家庭網絡的潛在更好方式，同時以合理的價格提供與以太網相當的性能。在已安裝的基礎設施上運行的兩種選擇涉及電話或電力線布線。直到最近，由于信道質量非常差，利用現有的家庭布線進行寬帶網絡是不可能的。然而，由于信號處理技術的進步，由于硅制造幾何形狀的持續(xù)減少以及高速混合信號電路的性能改進而導致的成本降低，因此具有成本效益的寬帶家庭網絡現已成為現實。家庭電話網絡聯(lián)盟（HPNA）標準為電話線網絡提供了框架，并允許高達10 Mbits / s的數據速率。 HomePlug ?標準描述了實現電力線網絡系統(tǒng)的規(guī)范，其數據速率與HPNA相當。

這些有線家庭網絡這些技術與DSL和電纜等高速接入技術一起，需要傳輸介質（電源線，電纜，雙絞線）與數字基帶處理器和控制器之間的混合信號接口。 ADI公司開發(fā)了一系列單片混合信號前端（MxFE ?）集成電路（IC）來彌補這一差距（參見Analog Dialogue Volume 35，Number 1，January-February，2001文章，“用于寬帶數字機頂盒的AD9873混合信號（MxFE）前端”）。

最近推出的AD9875和AD9876 MxFE器件，將在本文中討論，專門針對在寬帶家庭網絡和寬帶接入應用中，這兩種應用都要求高數據速率或高達25 MHz的信號帶寬，并在功能，性能和成本方面提出類似的要求。鑒于其靈活性，這些部件可用于家庭網絡（HomePlug，HPNA）和高速數據訪問（VDSL，電力線）的調制解調器。它們專為大批量，成本敏感的消費級應用而開發(fā)，為系統(tǒng)解決方案提供商提供了卓越的價值。

圖2描繪了MxFE芯片的多功能作用。它的接收（Rx）電路一旦接入到適當的接口就接受來自傳輸介質的（模擬域）信號，并提供模擬信號調理和A / D轉換，以產生可以復用的多路數字信號。由數字物理層（PHY）和/或媒體訪問控制器（MAC）處理。它還接受來自這些實體的數字數據，對其進行處理并將其轉換為模擬數據，并將此傳輸（Tx）信號輸出到媒體接口。器件設計基于優(yōu)化系統(tǒng)性能的目標 - 無論其I / O的模擬或數字特性如何，均采用ADI的“智能分區(qū)方法”（見附錄）。

圖2表示典型的有線網絡節(jié)點。 MxFE功能可以通過混合變壓器塊被動地連接到有線介質，或者主動地通過接收側的放大器和發(fā)送側的驅動器連接到有線介質。在數字方面，MxFE器件需要與PHY和MAC接口，這些器件位于單獨的芯片上。

MxFE電路設計人員用于家庭網絡和高速接入的極為重要的因素市場是性能，上市時間和低成本。在這種新興的寬帶通信應用中，分立模擬組件可能非常昂貴，耗電且需要電路板空間。通過在單個芯片（如AD9875 / AD9876）上集成困難的混合信號，模擬，數字和信號處理功能，可以實現成本，性能，尺寸和功耗的組合，從而使復雜的消費市場通信產品成為可能。實際上，通過在數字門陣列或ASIC中實現其知識產權和設計專業(yè)知識，結合這些設備，設計工程師可以比以往更快地開發(fā)新產品和原型，以充分利用快速變化的市場。

圖3顯示了用于寬帶調制解調器的AD9875 / AD9876混合信號前端轉換器的框圖。在模擬方面，AD9875和AD9876將ADC，DAC，時鐘產生，可編程增益放大以及模擬和數字濾波電路相結合，提供通常采用分立式解決方案實現的成本水平和性能。 ADC采用流水線式多級架構，可實現高采樣率，同時功耗低。在AD9875中，接收路徑提供9.5 ENOB，32 MSPS，8.6 ENOB，50 MSPS。 AD9876的可比數字為10.2 ENOB @ 32 MSPS和9.3 ENOB @ 50 MSPS。每個器件中的DAC分別為10位和12位插值TxDAC ?電路。

在數字方面，DAC輸入和ADC輸出可在不同的端口上使用適應全雙工和半雙工操作。每個轉換器的端口都復用為高低通道，以減少封裝引腳的數量。 [一款10位半雙工器件，AD9875-HD，于2002年夏季推出，將無縫連接到當前可用的HomePlug兼容物理層數字ASIC，支持多路復用傳輸和接收數據端口。]

低成本，靈活，高性能，現成的混合信號前端（如這些）的可用性，并進行了優(yōu)化使用各種調制格式（包括OFDM）的寬帶調制解調器設計的功能簡化了供應商和OEM的ASIC設計，規(guī)范和測試過程，并且可以大大縮短產品上市時間。 AD9875 / AD9876的獨特功能使這些器件非常適用于電話和電源線網絡以及一些xDSL應用。

寬帶有線調制解調器

無論采用何種調制方案，寬帶調制解調器中常見的具有高峰均比的寬帶信號對系統(tǒng)的模擬和混合信號處理提出了很高的要求組件。圖2和圖3中的AD9875 / AD9876框圖一起顯示了通用有線寬帶調制解調器的詳細信息。并非每個調制解調器都需要顯示每個塊，盡管它們中的大多數確實使用相同或類似的功能，而其他調制解調器甚至可能需要額外的功有線調制解調器的塊級組件可以分為三個主要功能;發(fā)送路徑，線路耦合器或混合器，以及接收路徑。大多數發(fā)送和接收模塊由AD9875 / AD9876組件直接尋址。

發(fā)送路徑的主要功能是將信號以足夠的保真度發(fā)送到線路上。以足夠高的信噪比（SNR）到達導線的遠端，以便在接收器端進行忠實的解碼?？偸?，發(fā)射器必須在符合頻譜掩模的情況下執(zhí)行此操作，以確保調制解調器不會在其信道帶寬之外引起過多噪聲。滿足功率譜密度（PSD）掩模的要求通常會推動發(fā)送路徑組件的設計和性能要求。最受關注的兩個轉換器參數是位數和采樣率。

對于DAC，所需的位數取決于所需的SNR，即信號的峰均比（PAR）和信號帶寬與采樣率的比率。對于給定的SNR要求，需要更高精度的轉換器作為信號帶寬和PAR增加。通常最苛刻的DAC性能參數是無雜散動態(tài)范圍（SFDR）。由非理想DAC傳遞函數產生的雜散可能出現在頻譜中的任何地方。如果雜散的幅度很高并且接近信號頻帶，則它們可能無法充分過濾。 DAC的SFDR性能必須能夠滿足系統(tǒng)線性度要求。

AD9875 / AD9876內置一個10/12位DAC，并利用插值濾波器對輸入數據進行過采樣。過采樣，因為它使DAC圖像頻率遠離所需信號的頻率，可能導致外部模擬濾波器要求大大簡化，從而降低了復雜性和成本。理想情況下，驅動器將能夠提供發(fā)送路徑增益并提供所需的輸出功率，同時保持DAC線性性能。如果DAC的可用峰值輸出功率不足，AD832x電纜驅動器或AD8xxx DSL驅動器可以為線路提供接口。為了提供低失真的高峰值輸出信號，放大器輸出級需要高壓軌和高偏置電流，這與低功耗和CMOS集成的需求相沖突。

耦合調制解調器的方法線路的模擬前端取決于調制/解調（調制解調器）的類型是時域雙工（TDD）還是頻域雙工（FDD）。 TDD調制解調器通常采用耦合到線路的簡單變壓器和將發(fā)射器或接收器連接到變壓器的開關。主要關注的是，連接時的切換和建立時間滿足系統(tǒng)要求。 FDD調制解調器通常使用 hybrid 將調制解調器的模擬前端連接到線路?；祛l是必需的，因為調制解調器可以傳輸大信號，而接收器正在收聽大大衰減的信號 - 這可能要小幾個數量級。為了限制從發(fā)射器到接收器的信號耦合量，使用某種類型的線匹配，消除電路和濾波。 AD9875 / AD9876集成了一個低通模擬接收濾波器（圖3中的LPF）和可變截止，以滿足各種信號帶寬要求。

接收器保持輸入信號SNR的有效性接收信道帶寬將是調制解調器原始數據速率的最重要決定因素。信道帶寬上的接收信號的SNR，由信道確定;對通道將攜帶的數據量進行基本限制。線路接口和數字輸出樣本之間的電路中的任何降級都被認為是實現 噪聲，并且由接收器的質量決定。接收器的工作是消除帶外信道噪聲并補償信號衰減，然后將模擬信號數字化以進行進一步的數字信號處理。

線路上的帶外噪聲和干擾會以兩種方式降低接收器SNR。首先，存在的噪聲可以通過采樣過程折回到感興趣的信號帶中，從而提高現有的本底噪聲。其次，如果噪聲和干擾大于所需信號的數量級，則這將減小可應用于信號的增益以補償信號衰減 - 再次導致較低的SNR。有效的過濾對于減少這些影響至關重要。為了優(yōu)化噪聲和失真性能，在片上實現了可變增益放大器。該功能由連續(xù)時間可編程增益級（圖3中的CPGA）和離散時間開關可編程增益級（SPGA）共享，將LPF夾在中間。在SVGA之后，12位/ 10位ADC以高達50 MHz的采樣速率對信號進行數字化處理。

片上還有幾個輔助功能。兩個鎖相環(huán)（PLL）模塊，一個電壓調節(jié)器控制電路和一個串行端口接口有助于減少外部元件數量

電話線網絡

圖4和圖5a顯示了AD9875在電話線網絡應用中的應用，它使用QAM調制，數據速率最高可達32 Mbps?；旌闲盘柡?a href="http://ttokpm.com/v/tag/8791/" target="_blank">數字電路的分離允許數字ASIC以最具成本效益的幾何形狀實現。由于調制編碼位于數字ASIC中，因此設計人員可以最大限度地提高其“增值”，同時最大限度地縮短產品上市時間。

電源線和VDSL調制解調器

AD9876為電源線或VDSL調制解調器提供了最佳分區(qū)，如圖4,5b和5c所示。憑借其集成的可編程增益放大器，低通濾波器和12位ADC，結合2x / 4x插值濾波器和12位TxDAC ? D / A轉換器，AD9876幾乎可提供信號鏈的整個模擬部分 - 采用48引腳LQFP封裝。通過添加模擬濾波器和線路驅動器，設計人員可以通過集成的單芯片解決方案將電源線或VDSL調制解調器產品快速推向市場。與此類應用中的其他集成度較低的解決方案相比，組件數量可減少多達50％;并且整體物料清單可以減少超過所包含的集成MxFE組件的購買價格。使用AD9875 / 6的集成4x PLL時鐘倍頻器和系統(tǒng)時鐘輸出可進一步降低系統(tǒng)成本。它們允許使用廉價的低頻晶振實現整個系統(tǒng)時鐘。

AD9875 / AD9876主要特性，規(guī)格和性能

低成本3.3V-用于寬帶網絡/調制解調器的CMOS混合信號前端轉換器

10/12位128-MSPS TxDAC + ? D / A轉換器

64 - / 32-MSPS輸入字速率

2x / 4x可編程發(fā)送路徑插值LPF或BPF

靈活省電模式

10- / 12-bit ，50-MSPS ADC

4 th 階低通濾波器12-或26 MHz，旁路

-6-dB至36-dB可編程-gain amplifier

內部4倍時鐘乘法器（PLL）時鐘輸出

電壓調節(jié)器控制器

48導聯(lián)LQFP封裝

< p> AD9875 / AD9876的性能在-40°至+ 85°C擴展工業(yè)溫度范圍內進行了表征。

以下兩個圖表顯示了這些部件的多音應用中的發(fā)送路徑性能，并說明他們的e xceptional線性。圖6顯示了AD9876的互調失真;在指定的條件下，它小于-80 dB。圖7顯示了發(fā)射路徑的多音功率比：在4.5至20.7 MHz頻率范圍內發(fā)射70個音調時約為55 dB，與HomePlug頻段相對應。

AD9876 12位ADC的性能滿足雙頻段VDSL的要求，并已針對該應用和電力線接入調制解調器的系統(tǒng)解決方案而設計。圖8是5-MHz正弦輸入的THD與ADC采樣率的函數關系圖。

MxFE設備的Rx LPF有兩個頻率設置，一個具有中心頻率約為10.8 MHz，另一個約為26 MHz。濾波器傳遞函數類似于四階巴特沃斯函數。濾波器具有自調節(jié)功能，可校正器件元件各部件之間的變化以及溫度漂移。如果需要不同的截止頻率，則可以在20％的范圍內調節(jié)中心頻率。圖9顯示了選擇較低截止頻率的LPF性能。

AD9875 / 6 評估板（圖10）及其軟件，允許用戶輕松編程并快速評估特定調制解調器應用程序的設備。評估板提供對設備數字發(fā)送和接收端口的連接器訪問，這些端口經過緩沖以實現可靠的數據傳輸。片上配置寄存器可以通過使用PC串口進行編程，該串口直接連接到評估板上的連接器; PC駐留評估板軟件提供了一種配置MxFE操作的簡單方法。

DAC的模擬輸出和ADC電路的模擬輸入可通過評估板上的SMA連接器或引腳頭訪問。跳線可編程接口配置允許多種不同的電路選項，以適應不同的測試方法。板載數字環(huán)回功能允許使用信號源和頻譜分析儀同時測試ADC和DAC。另外還有子卡，它可以為MxFE設備提供電話線兼容接口。

AD9875-EB軟件提供圖形用戶界面，便于編程和查詢AD9875寄存器。有三個編程窗口可供選擇。 direct-register-access 窗口允許AD9875以十進制，二進制或十六進制數據格式進行寫入和回讀。 寄存器映射窗口提供AD9875寄存器的簡單，面向功能的編程。該窗口以圖形方式顯示屏幕上的所有MxFE ?功能。 高級寄存器訪問窗口允許編程寄存器訪問序列。

可用性

AD9875和AD9876已發(fā)布到生產中它們采用經濟，節(jié)省空間的48引腳LQFP，價格分別為9.24美元和14.45美元（1000s）。 AD9875的批量價格低于5.00美元（AD9876 <$ 7.00）。

附錄

ADI公司MxFE系列的這些成員，AD9875 / 6支持智能分區(qū)，這是一種混合信號設計技術，可沿優(yōu)化線分割信號路徑系統(tǒng)性能，而不是模擬/數字邊界。這種方法補充了數字PHY（物理層）和MAC（媒體訪問控制器），它由數十萬到超過一百萬個門構成，采用最先進的0.18毫米或更精細幾何CMOS工藝制造，以充分利用這些流程提供的速度，功率和成本優(yōu)勢的優(yōu)勢。同時，AD9875 / 6的核心是高性能數據轉換器內核，采用成熟且經濟高效的0.35 mm CMOS工藝制造。這些內核增加了模擬和數字信號處理電路，為兩個世界提供必要的接口，從而降低了系統(tǒng)板上電路的復雜性和成本，同時降低了靈活性。這種混合信號和數字功能的組合通過減少組件數量和占用空間而不影響性能來提供整體系統(tǒng)優(yōu)勢。

除了性能和成本優(yōu)勢之外，“智能分區(qū)”為分工提供了合理的位置。開發(fā)完整的物理層解決方案。其核心競爭力在于通信系統(tǒng)和算法開發(fā)的公司可以專注于數字設計的這些方面，并利用其差異化技術。通過與ADI公司的領導者合作，他們可以放心，他們的模擬和混合信號組合解決方案處于最先進的狀態(tài)。