多功能混合信號(hào)前端助力有線寬帶調(diào)制解調(diào)器和家庭網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)介

寬帶調(diào)制解調(diào)器的廣泛發(fā)展（主要基于有線和DSL技術(shù)）使全球住宅家庭可以使用寬帶通信，用于互聯(lián)網(wǎng)接入，互動(dòng)游戲等應(yīng)用。遠(yuǎn)程辦公。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)成可用性已經(jīng)導(dǎo)致家庭網(wǎng)絡(luò)的日益普及，用于共享因特網(wǎng)訪問(wèn)和用于工作，學(xué)術(shù)和娛樂(lè)的打印機(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)備的典型家庭網(wǎng)絡(luò)。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種技術(shù)來(lái)解決家庭計(jì)算機(jī)之間的高速通信問(wèn)題。外圍設(shè)備 - 以及與集線器（或網(wǎng)關(guān)）的接口，用于寬帶接入。直到最近，以太網(wǎng)一直是在家中提供網(wǎng)絡(luò)的最可行的方法。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)存在一個(gè)主要缺點(diǎn) - 需要在整個(gè)家庭中連接 5類(lèi)（CAT5）電纜。這幾乎總是意味著房主必須運(yùn)行新線路 - 這是一種繁瑣且可能很昂貴的解決方案。

無(wú)線局域網(wǎng)提供了以太網(wǎng)的替代方案，無(wú)需安裝新線路。盡管無(wú)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(gè)競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏互操作性以及干擾/穩(wěn)健性問(wèn)題，它取得了有限的成功。 IEEE 802.11中的無(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。盡管如此，頻譜的稀缺性以及諸如微波爐，車(chē)庫(kù)門(mén)開(kāi)啟器等強(qiáng)效干擾物的普遍存在將繼續(xù)給無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)許多挑戰(zhàn)，包括增加成本。

較新的首選有線技術(shù)是那些需要“無(wú)需新線”的技術(shù);它們通過(guò)避免安裝新布線的負(fù)擔(dān)，為房主提供了建立家庭網(wǎng)絡(luò)的潛在更好方式，同時(shí)以合理的價(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或電力線布線。直到最近，由于信道質(zhì)量非常差，利用現(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，由于硅制造幾何形狀的持續(xù)減少以及高速混合信號(hào)電路的性能改進(jìn)而導(dǎo)致的成本降低，因此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。 HomePlug ?標(biāo)準(zhǔn)描述了實(shí)現(xiàn)電力線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的規(guī)范，其數(shù)據(jù)速率與HPNA相當(dāng)。

這些有線家庭網(wǎng)絡(luò)這些技術(shù)與DSL和電纜等高速接入技術(shù)一起，需要傳輸介質(zhì)（電源線，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。 ADI公司開(kāi)發(fā)了一系列單片混合信號(hào)前端（MxFE ?）集成電路（IC）來(lái)彌補(bǔ)這一差距（參見(jiàn)Analog Dialogue Volume 35，Number 1，January-February，2001文章，“用于寬帶數(shù)字機(jī)頂盒的AD9873混合信號(hào)（MxFE）前端”）。

最近推出的AD9875和AD9876 MxFE器件，將在本文中討論，專(zhuān)門(mén)針對(duì)在寬帶家庭網(wǎng)絡(luò)和寬帶接入應(yīng)用中，這兩種應(yīng)用都要求高數(shù)據(jù)速率或高達(dá)25 MHz的信號(hào)帶寬，并在功能，性能和成本方面提出類(lèi)似的要求。鑒于其靈活性，這些部件可用于家庭網(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)為大批量，成本敏感的消費(fèi)級(jí)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)，為系統(tǒng)解決方案提供商提供了卓越的價(jià)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(dāng)?shù)慕涌诰徒邮軄?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)生可以復(fù)用的多路數(shù)字信號(hào)。由數(shù)字物理層（PHY）和/或媒體訪問(wèn)控制器（MAC）處理。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。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)字特性如何，均采用ADI的“智能分區(qū)方法”（見(jiàn)附錄）。

圖2表示典型的有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 MxFE功能可以通過(guò)混合變壓器塊被動(dòng)地連接到有線介質(zhì)，或者主動(dòng)地通過(guò)接收側(cè)的放大器和發(fā)送側(cè)的驅(qū)動(dòng)器連接到有線介質(zhì)。在數(shù)字方面，MxFE器件需要與PHY和MAC接口，這些器件位于單獨(dú)的芯片上。

MxFE電路設(shè)計(jì)人員用于家庭網(wǎng)絡(luò)和高速接入的極為重要的因素市場(chǎng)是性能，上市時(shí)間和低成本。在這種新興的寬帶通信應(yīng)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(guò)在單個(gè)芯片（如AD9875 / AD9876）上集成困難的混合信號(hào)，模擬，數(shù)字和信號(hào)處理功能，可以實(shí)現(xiàn)成本，性能，尺寸和功耗的組合，從而使復(fù)雜的消費(fèi)市場(chǎng)通信產(chǎn)品成為可能。實(shí)際上，通過(guò)在數(shù)字門(mén)陣列或ASIC中實(shí)現(xiàn)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)和設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，結(jié)合這些設(shè)備，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，以充分利用快速變化的市場(chǎng)。

圖3顯示了用于寬帶調(diào)制解調(diào)器的AD9875 / AD9876混合信號(hào)前端轉(zhuǎn)換器的框圖。在模擬方面，AD9875和AD9876將ADC，DAC，時(shí)鐘產(chǎn)生，可編程增益放大以及模擬和數(shù)字濾波電路相結(jié)合，提供通常采用分立式解決方案實(shí)現(xiàn)的成本水平和性能。 ADC采用流水線式多級(jí)架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高采樣率，同時(shí)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(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)字方面，DAC輸入和ADC輸出可在不同的端口上使用適應(yīng)全雙工和半雙工操作。每個(gè)轉(zhuǎn)換器的端口都復(fù)用為高低通道，以減少封裝引腳的數(shù)量。 [一款10位半雙工器件，AD9875-HD，于2002年夏季推出，將無(wú)縫連接到當(dāng)前可用的HomePlug兼容物理層數(shù)字ASIC，支持多路復(fù)用傳輸和接收數(shù)據(jù)端口。]

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，并進(jìn)行了優(yōu)化使用各種調(diào)制格式（包括OFDM）的寬帶調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)的功能簡(jiǎn)化了供應(yīng)商和OEM的ASIC設(shè)計(jì)，規(guī)范和測(cè)試過(guò)程，并且可以大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。 AD9875 / AD9876的獨(dú)特功能使這些器件非常適用于電話和電源線網(wǎng)絡(luò)以及一些xDSL應(yīng)用。

寬帶有線調(diào)制解調(diào)器

無(wú)論采用何種調(diào)制方案，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)對(duì)系統(tǒng)的模擬和混合信號(hào)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(diào)制解調(diào)器的詳細(xì)信息。并非每個(gè)調(diào)制解調(diào)器都需要顯示每個(gè)塊，盡管它們中的大多數(shù)確實(shí)使用相同或類(lèi)似的功能，而其他調(diào)制解調(diào)器甚至可能需要額外的功有線調(diào)制解調(diào)器的塊級(jí)組件可以分為三個(gè)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(shù)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(hào)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(dá)導(dǎo)線的遠(yuǎn)端，以便在接收器端進(jìn)行忠實(shí)的解碼?？偸牵l(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(diào)制解調(diào)器不會(huì)在其信道帶寬之外引起過(guò)多噪聲。滿(mǎn)足功率譜密度（PSD）掩模的要求通常會(huì)推動(dòng)發(fā)送路徑組件的設(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)取決于所需的SNR，即信號(hào)的峰均比（PAR）和信號(hào)帶寬與采樣率的比率。對(duì)于給定的SNR要求，需要更高精度的轉(zhuǎn)換器作為信號(hào)帶寬和PAR增加。通常最苛刻的DAC性能參數(shù)是無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。由非理想DAC傳遞函數(shù)產(chǎn)生的雜散可能出現(xiàn)在頻譜中的任何地方。如果雜散的幅度很高并且接近信號(hào)頻帶，則它們可能無(wú)法充分過(guò)濾。 DAC的SFDR性能必須能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)線性度要求。

AD9875 / AD9876內(nèi)置一個(gè)10/12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圖像頻率遠(yuǎn)離所需信號(hào)的頻率，可能導(dǎo)致外部模擬濾波器要求大大簡(jiǎn)化，從而降低了復(fù)雜性和成本。理想情況下，驅(qū)動(dòng)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(shí)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(qū)動(dòng)器或AD8xxx DSL驅(qū)動(dòng)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(hào)，放大器輸出級(jí)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(diào)制解調(diào)器的方法線路的模擬前端取決于調(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)器通常采用耦合到線路的簡(jiǎn)單變壓器和將發(fā)射器或接收器連接到變壓器的開(kāi)關(guān)。主要關(guān)注的是，連接時(shí)的切換和建立時(shí)間滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。 FDD調(diào)制解調(diào)器通常使用 hybrid 將調(diào)制解調(diào)器的模擬前端連接到線路?；祛l是必需的，因?yàn)檎{(diào)制解調(diào)器可以傳輸大信號(hào)，而接收器正在收聽(tīng)大大衰減的信號(hào) - 這可能要小幾個(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，使用某種類(lèi)型的線匹配，消除電路和濾波。 AD9875 / AD9876集成了一個(gè)低通模擬接收濾波器（圖3中的LPF）和可變截止，以滿(mǎn)足各種信號(hào)帶寬要求。

接收器保持輸入信號(hào)SNR的有效性接收信道帶寬將是調(diào)制解調(diào)器原始數(shù)據(jù)速率的最重要決定因素。信道帶寬上的接收信號(hào)的SNR，由信道確定;對(duì)通道將攜帶的數(shù)據(jù)量進(jìn)行基本限制。線路接口和數(shù)字輸出樣本之間的電路中的任何降級(jí)都被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn) 噪聲，并且由接收器的質(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會(huì)以?xún)煞N方式降低接收器SNR。首先，存在的噪聲可以通過(guò)采樣過(guò)程折回到感興趣的信號(hào)帶中，從而提高現(xiàn)有的本底噪聲。其次，如果噪聲和干擾大于所需信號(hào)的數(shù)量級(jí)，則這將減小可應(yīng)用于信號(hào)的增益以補(bǔ)償信號(hào)衰減 - 再次導(dǎo)致較低的SNR。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，在片上實(shí)現(xiàn)了可變?cè)鲆娣糯笃?/u>。該功能由連續(xù)時(shí)間可編程增益級(jí)（圖3中的CPGA）和離散時(shí)間開(kāi)關(guān)可編程增益級(jí)（SPGA）共享，將LPF夾在中間。在SVGA之后，12位/ 10位ADC以高達(dá)50 MHz的采樣速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。