AD9873用于寬帶數(shù)字機(jī)頂盒的混合信號(hào)前端

作者：Iuri Mehr, Joe DiPilato, and Martin Kessler

電視電纜的廣泛部署導(dǎo)致了廣泛的研究，以提供更好的質(zhì)量和增加電視節(jié)目和電纜調(diào)制解調(diào)器功能的多樣性。這一努力導(dǎo)致了幾家知名供應(yīng)商的數(shù)字機(jī)頂盒的開發(fā)，包括科學(xué)亞特蘭大和摩托羅拉（通用儀器）。數(shù)字機(jī)頂盒不是模擬退化邊帶調(diào)制 （VSB） 通道，而是接收電視節(jié)目并使用正交幅度調(diào)制 （QAM） 與前端電臺(tái)交換信息。以數(shù)字位傳輸模擬信息不僅更可靠，而且可以更有效地利用可用帶寬。圖1顯示了連接到頭端和住宅（或辦公室）內(nèi)各種設(shè)備的數(shù)字機(jī)頂盒。

圖1.電纜機(jī)頂盒網(wǎng)關(guān)配置。

幾種服務(wù)可以以這種方式統(tǒng)一，包括互聯(lián)網(wǎng)接入、有線電視甚至電話服務(wù)。高數(shù)據(jù)速率允許流式傳輸MPEG電影以及高質(zhì)量的電話（語音包）服務(wù)。

如圖2所示，數(shù)字機(jī)頂盒由幾個(gè)主要子系統(tǒng)組成，以實(shí)現(xiàn)電視調(diào)諧器、基帶收發(fā)器、通道3/4調(diào)制器（用于與模擬電視機(jī)兼容）、MPEG和NTSC解碼器和編碼器、物理層（PHY）和電纜調(diào)制解調(diào)器的媒體訪問控制（MAC）等功能。由于互聯(lián)網(wǎng)接入意味著一個(gè)上行通道，因此包括一個(gè)電纜驅(qū)動(dòng)器;它可以使用AD832x系列的成員來實(shí)現(xiàn)。該盒子還可以包括帶外 （OOB） 控制通道和電話線路接口。

所有這些模塊的多樣性和復(fù)雜性都給設(shè)計(jì)人員帶來了元件和電路板級(jí)的重大挑戰(zhàn)。所需的大量數(shù)字處理，加上高清數(shù)字電視的高質(zhì)量接收要求，給數(shù)字機(jī)頂盒架構(gòu)師帶來了諸多挑戰(zhàn)。此外，與模擬電視的兼容性要求從壁掛式電視電纜插座到電視機(jī)進(jìn)行干凈的模擬信號(hào)處理。因此，為集成功能選擇合適的分區(qū)成為以低成本在電纜調(diào)制解調(diào)器中結(jié)合高質(zhì)量電視接收和高數(shù)據(jù)速率的關(guān)鍵要求。

圖2.在一個(gè)典型的數(shù)字機(jī)頂盒內(nèi)。

混合信號(hào)前端可使用AD9873實(shí)現(xiàn)，是機(jī)頂盒的核心（圖2）。

混合信號(hào)前端

機(jī)頂盒混合信號(hào)前端的定義必須考慮發(fā)送和接收數(shù)據(jù)路徑所需的功能量。低成本至關(guān)重要，因此選擇合適的技術(shù)是成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。除此之外，上市時(shí)間對(duì)IC供應(yīng)商和OEM來說同樣重要。包含大量數(shù)字和模擬內(nèi)容的ASIC通常難以安排，因?yàn)樘幚砉逃械脑O(shè)計(jì)挑戰(zhàn)需要時(shí)間，并且經(jīng)常需要客戶反饋。ADI公司AD9873的設(shè)計(jì)人員利用了他們?cè)跈C(jī)頂盒技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)，以及他們?cè)趩蝹€(gè)芯片上集成基本高性能模擬和混合信號(hào)功能所需的高性能拓?fù)淠K內(nèi)核設(shè)計(jì)清單。

圖3是用于機(jī)頂盒和電纜調(diào)制解調(diào)器的模擬前端轉(zhuǎn)換器AD9873的框圖。接收數(shù)據(jù)路徑包含多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），以適應(yīng)前面描述的各種機(jī)頂盒功能。一對(duì)8位ADC用于轉(zhuǎn)換來自解調(diào)OOB通道的正交輸入。它們專為中等性能而設(shè)計(jì) — 在小于 7 MHz 的采樣速率下優(yōu)于 16 有效位數(shù) （ENOB），因?yàn)?OOB 數(shù)據(jù)在窄帶信道 （<1 MHz） 中使用低復(fù)雜度調(diào)制 （QPSK）。由于10位ADC在電纜調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)數(shù)字化中起著重要作用，因此需要更嚴(yán)格的規(guī)格。這種類型的數(shù)據(jù)使用高階QAM調(diào)制進(jìn)行廣播，這需要更高的信噪比。因此，在9 MSPS下對(duì)高達(dá)10 MHz的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，轉(zhuǎn)換器需要表現(xiàn)出優(yōu)于33 ENOB。第四個(gè)ADC是一個(gè)12位轉(zhuǎn)換器，采樣頻率為33 MHz，可為高達(dá)奈奎斯特速率的輸入提供優(yōu)于10.5 ENOB，可以數(shù)字化高清電視信號(hào)。對(duì)于多路復(fù)用到同一輸入的單端視頻信號(hào)，提供可編程黑電平箝位。所有這些轉(zhuǎn)換器的輸出都經(jīng)過多路復(fù)用，以減少封裝引腳的數(shù)量。

圖3.AD9873功能框圖

發(fā)送數(shù)據(jù)路徑包含一個(gè)解復(fù)用接口，用于接收I/Q基帶數(shù)據(jù)，通常采樣頻率約為13 MHz（高達(dá)16 MHz）。由于插值是降低DAC輸出濾波器要求的強(qiáng)大工具（AD9772和AD9856成功使用），因此使用了三個(gè)插值濾波器。插值因子可以設(shè)置為12或16，使數(shù)據(jù)速率高達(dá)230 MHz。整體插值器頻率響應(yīng)由兩個(gè)半帶濾波器和一個(gè)級(jí)聯(lián)積分器梳狀濾波器（CIC）決定。在插值器之后，使用直接數(shù)字頻率合成（DDS）實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制器以生成正弦和余弦波形。在饋入DAC之前，信號(hào)可以補(bǔ)償由D/A轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的sin（x）/x滾降。此操作是可選的，因?yàn)闈L降僅在合成載波頻率范圍結(jié)束時(shí)變得明顯。DDS可以產(chǎn)生低雜散含量的復(fù)數(shù)載波，頻率高達(dá)采樣速率的約三分之一，即高達(dá)70 MHz。

ADC直接從低頻晶體時(shí)鐘;其頻率由板載可編程鎖相環(huán)（PLL）提高，以提供DAC所需的高速時(shí)鐘。這種方法可減少對(duì)ADC進(jìn)行采樣時(shí)的不良時(shí)鐘抖動(dòng)，并消除片外高頻振蕩器的問題和費(fèi)用?？删幊蘌LL還為機(jī)頂盒內(nèi)的其他模塊提供系統(tǒng)時(shí)鐘。輔助數(shù)字Σ-Δ輸出有助于自動(dòng)增益控制或定時(shí)恢復(fù)功能。許多器件參數(shù)可通過 3 引腳或 4 引腳串行接口進(jìn)行編程。

為了與AD832x電纜驅(qū)動(dòng)器系列成員無縫連接，該器件內(nèi)置一個(gè)單獨(dú)的3線接口，并設(shè)計(jì)了多個(gè)配置文件寄存器（可通過串行接口加載），以加快發(fā)射增益數(shù)據(jù)和載波頻率的變化。這可以通過使用專用的外部引腳來實(shí)現(xiàn)，該引腳尋址特定的配置文件寄存器組。圖4顯示了AD9873如何在完整的數(shù)字機(jī)頂盒應(yīng)用中使用。

圖4.智能系統(tǒng)分區(qū)有助于解決優(yōu)化寬帶調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)中的價(jià)格、性能、尺寸和功耗的挑戰(zhàn)。

寬帶調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)人員需要小尺寸、高性能水平和低成本的組合。由于機(jī)箱內(nèi)熱管理的成本和面積影響，它們無法承受發(fā)射或接收路徑中耗散功率的代價(jià)。為了在寬帶調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)中構(gòu)建滿足這些要求的大規(guī)模數(shù)字集成電路，需要最先進(jìn)的低壓光刻技術(shù)。但是，它們不適用于高性能模擬和混合信號(hào)電路。AD9873等產(chǎn)品提供了使用兩個(gè)高度集成度的小型芯片（數(shù)字ASIC和混合信號(hào)“其他所有”），從而為這一問題提供了解決方案，這些芯片將大規(guī)模數(shù)字IC與高性能混合信號(hào)元件適當(dāng)分區(qū)。

圖5顯示了這種方法如何引領(lǐng)寬帶通信應(yīng)用的趨勢，遠(yuǎn)離試圖將大規(guī)模數(shù)字處理與高性能混合信號(hào)器件集成失敗的單芯片解決方案。新興的寬帶調(diào)制解調(diào)器需要更強(qiáng)大的數(shù)字處理（>MIPS）和更高性能的混合信號(hào)（>動(dòng)態(tài)范圍和帶寬）設(shè)備。這些應(yīng)用中使用的大規(guī)模集成數(shù)字器件需要最先進(jìn)的（精細(xì)幾何形狀）、低電壓CMOS工藝，而混合信號(hào)器件依賴于更高電壓的CMOS工藝，這些工藝針對(duì)處理高性能混合信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化。作為新型寬帶MxFE系列的首款器件，AD9873將允許設(shè)計(jì)人員利用“智能分區(qū)”。

圖5.智能分區(qū)模型。

它的工作原理如下：深亞微米幾何工藝不容易支持高性能D/A和A/D轉(zhuǎn)換器所需的電壓電平，數(shù)字噪聲耦合到模擬信號(hào)鏈中會(huì)破壞信號(hào)保真度。有時(shí)，試圖將所有內(nèi)容都放在單個(gè)芯片上會(huì)導(dǎo)致更高的價(jià)格和/或更低的性能解決方案。嘗試將高速和寬動(dòng)態(tài)范圍的混合信號(hào)設(shè)備與超大規(guī)模數(shù)字處理混合就是一個(gè)很好的例子。它總是需要在數(shù)字面積（成本）、功耗或混合信號(hào)性能方面做出妥協(xié)。AD9873寬帶混合信號(hào)前端以及隨后推出的其他MxFE產(chǎn)品為設(shè)計(jì)人員提供了高集成度、低成本和低功耗的優(yōu)勢，而不會(huì)影響性能。

AD9873采用這種優(yōu)化的混合信號(hào)技術(shù)和“智能”分區(qū)，為各種調(diào)制格式（FSK、QPSK、16/32/64/256 QAM、OFDM、擴(kuò)頻等）提供出色的動(dòng)態(tài)性能。數(shù)字ASIC包括調(diào)制編碼，可以在最具成本效益和最精細(xì)的幾何形狀上實(shí)現(xiàn)。通過這種經(jīng)濟(jì)高效的方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在自己的數(shù)字ASIC中保留更多的“附加值”，充分利用其系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)，專有算法和知識(shí)產(chǎn)權(quán)。AD9873的混合信號(hào)分區(qū)解決了在VLSI數(shù)字ASIC中集成混合信號(hào)電路的成本和性能權(quán)衡問題，方法是將其從片外移除。

AD9873混合信號(hào)前端的其他應(yīng)用

除電纜機(jī)頂盒外，AD9873還非常適合各種其他標(biāo)準(zhǔn)和專有寬帶通信應(yīng)用，如圖6所示。以下是可以使用AD9873的其他應(yīng)用列表：

電纜調(diào)制解調(diào)器

數(shù)字通信

數(shù)據(jù)和視頻調(diào)制解調(diào)器

電源線調(diào)制解調(diào)器

衛(wèi)星系統(tǒng)

電腦多媒體

寬帶無線通信

家庭網(wǎng)絡(luò)

圖6.通過電纜、電源線或無線方式實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)制解調(diào)器，使用AD9873。

AD9873主要特性和性能

232MHz正交數(shù)字上變頻器：

直流至 70 MHz 輸出帶寬

12 位直接中頻 D/A 轉(zhuǎn)換器

直接數(shù)字合成

插值和正弦（x）/x 濾波器

12位、33MSPS直接中頻ADC

10位、33MSPS直接中頻ADC

雙通道 8 位、16.5 MSPS I&Q ADC

雙通道 12 位 Σ-Δ 控制 DAC

帶箝位電路的視頻輸入

與 AD8321/3 PGA 電纜驅(qū)動(dòng)器的直接接口

可編程鎖相環(huán)時(shí)鐘乘法器

3.3V 單電源供電

關(guān)斷模式

100 針 MQFP

AD9873的性能與商用溫度范圍有關(guān);但是，它可以在-40°至+75°C的溫度范圍內(nèi)安全使用。 圖7顯示了12 MHz輸入時(shí)10位ADC性能的頻譜圖。

圖7.AD9873的12位ADC性能曲線，輸入為10 MHz。

圖8顯示了產(chǎn)生42 MHz 16 QAM信號(hào)的DAC的頻譜圖。圖9顯示了AD64產(chǎn)生的9873 QAM信號(hào)的星座圖和眼圖。

圖8.AD9873 DAC性能曲線圖

圖9.AD9873 64-QAM星座圖

評(píng)估板和軟件

AD9873評(píng)估板和軟件允許用戶針對(duì)特定調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用輕松編程和快速評(píng)估AD9873。

圖 10.AD9873評(píng)估設(shè)置。

圖 11.AD9873 評(píng)估板和軟件

審核編輯：郭婷