用于寬帶數(shù)字機(jī)頂盒混合信號中的AD9873芯片介紹

電視電纜的廣泛部署已導(dǎo)致廣泛的研究，以提供更好的質(zhì)量和更多種類的電視節(jié)目和電纜調(diào)制解調(diào)器功能。這項工作促成了幾家知名供應(yīng)商開發(fā)的數(shù)字機(jī)頂盒，包括Scientific Atlanta和Motorola（General Instrument）。數(shù)字機(jī)頂盒不使用模擬殘留邊帶調(diào)制（VSB）信道，而是使用正交幅度調(diào)制（QAM）接收電視節(jié)目并與前端電臺交換信息。以數(shù)字比特傳輸模擬信息不僅更穩(wěn)健，而且更有效地利用可用帶寬。圖1顯示了連接到前端和住宅（或辦公室）內(nèi)各種設(shè)備的數(shù)字機(jī)頂盒。

可以通過這種方式統(tǒng)一多種服務(wù)，包括Internet訪問，有線電視，甚至電話服務(wù)。高數(shù)據(jù)速率允許流式輸入MPEG電影以及高質(zhì)量的電話（語音包）服務(wù)。

數(shù)字機(jī)頂盒，如圖2所示，包括幾個主要的子系統(tǒng)實現(xiàn)電視調(diào)諧器，基帶收發(fā)器，通道3/4調(diào)制器（與模擬電視機(jī)兼容），MPEG和NTSC解碼器和編碼器，物理層（PHY）和電纜媒體訪問控制（MAC）等功能調(diào)制解調(diào)器。由于互聯(lián)網(wǎng)接入意味著上游信道，因此包括電纜驅(qū)動器;它可以使用AD832x系列的一個成員實現(xiàn)。該框還可以包含帶外（OOB）控制通道和電話線接口。

所有這些模塊的多樣性和復(fù)雜性給元件和電路板級別的設(shè)計人員帶來了重大挑戰(zhàn)。所需的大量數(shù)字處理與高清數(shù)字電視的高質(zhì)量接收要求相結(jié)合，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墻壁電視電纜插座到電視機(jī)進(jìn)行干凈的模擬信號處理。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)器中組合高質(zhì)量電視接收和高數(shù)據(jù)速率的關(guān)鍵要求。

混合信號前端，可以使用AD9873實現(xiàn)，是機(jī)頂盒的核心（圖2）。

混合信號前端

混合信號前端的定義 - 機(jī)頂盒的末尾必須考慮傳輸和接收數(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)計的關(guān)鍵。除此之外，上市時間對IC供應(yīng)商和OEM同樣重要。由于處理固有設(shè)計挑戰(zhàn)所需的時間以及對客戶反饋的頻繁需求，包含重要數(shù)字和模擬內(nèi)容的ASIC通常難以安排。 ADI公司AD9873的設(shè)計人員充分利用了他們在機(jī)頂盒技術(shù)方面的經(jīng)驗以及集成基本高性能模擬和混合信號所需的高性能拓?fù)淠K核心設(shè)計庫存在單個芯片上運行。

圖3是用于機(jī)頂盒和電纜調(diào)制解調(diào)器的AD9873模擬前端轉(zhuǎn)換器的框圖。接收數(shù)據(jù)路徑包含幾個模數(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8位ADC用于轉(zhuǎn)換來自解調(diào)OOB通道的正交輸入。由于OOB數(shù)據(jù)在窄帶信道中采用低復(fù)雜度調(diào)制（QPSK），因此它們的設(shè)計適用于低于16 MHz時的適度性能 - 優(yōu)于7 有效位數(shù)（ENOB） （《1 MHz）。由于其在數(shù)字化電纜調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)中的主要作用，10位ADC需要更嚴(yán)格的規(guī)范。使用更高階QAM調(diào)制來廣播這種類型的數(shù)據(jù)，這需要更高的信噪比。因此，當(dāng)在33 MSPS下采樣高達(dá)10 MHz的輸入信號時，轉(zhuǎn)換器需要表現(xiàn)出優(yōu)于9 ENOB。第四個ADC是一個12位轉(zhuǎn)換器，采樣頻率為33 MHz，對于高達(dá)奈奎斯特速率的輸入提供優(yōu)于10.5 ENOB的數(shù)據(jù)，可以對高清電視信號進(jìn)行數(shù)字化處理。對于復(fù)用到相同輸入的單端視頻信號，提供可編程黑電平鉗位。所有這些轉(zhuǎn)換器的輸出都是多路復(fù)用的，以減少封裝引腳的數(shù)量。

傳輸數(shù)據(jù)路徑包含一個解復(fù)用接口，接收I / Q基帶數(shù)據(jù)，通常采樣頻率約為13 MHz（最高16 MHz）。由于插值是降低DAC輸出濾波器要求的強(qiáng)大工具（在AD9772和AD9856中成功使用），因此使用了三個插值濾波器。插值因子可編程為12或16，使數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)230 MHz。整個內(nèi)插器頻率響應(yīng)由兩個半帶濾波器和一個級聯(lián)積分梳狀濾波器（CIC）確定。在內(nèi)插器之后，使用直接數(shù)字合成（DDS）實現(xiàn)正交調(diào)制器，以生成正弦和余弦波形。在饋入DAC之前，信號可以針對sin（x）/ x滾降進(jìn)行補(bǔ)償，這是由D / A轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的。該操作是可選的，因為滾降僅在合成載波頻率范圍的末端變得明顯。 DDS可以產(chǎn)生低雜散內(nèi)容的復(fù)合載波，其頻率最高可達(dá)采樣速率的三分之一，即高達(dá)70 MHz。

ADC直接由低頻晶振提供時鐘;其頻率由板載可編程鎖相環(huán)（PLL）加速，以提供DAC所需的高速時鐘。這種方法在對ADC進(jìn)行采樣時減少了不希望的時鐘抖動，并消除了片外高頻振蕩器的問題和費用?？删幊蘌LL還為機(jī)頂盒內(nèi)的其他模塊提供系統(tǒng)時鐘。輔助數(shù)字Σ-Δ輸出有助于自動增益控制或定時恢復(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)動器系列的成員無縫連接，包含一個單獨的3線接口，并且?guī)讉€配置文件寄存器（可通過串行接口加載）旨在加速傳輸?shù)淖兓@得數(shù)據(jù)和載波頻率。這可以通過使用專用外部引腳來實現(xiàn)，該引腳尋址特定的配置文件寄存器組。圖4顯示了AD9873如何用于完整的數(shù)字機(jī)頂盒應(yīng)用。

寬帶調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計人員需要結(jié)合小外形尺寸，高性能水平和低成本。由于箱內(nèi)熱量管理的成本和面積影響，它們無法在發(fā)射或接收路徑中消耗功率瓦特。為了構(gòu)建滿足寬帶調(diào)制解調(diào)器設(shè)計中的這些要求的大規(guī)模數(shù)字集成電路，需要現(xiàn)有技術(shù)的低壓光刻。但它們不適用于高性能模擬和混合信號電路。像AD9873這樣的產(chǎn)品提供了使用兩個小型高度集成芯片的可能性 - 數(shù)字ASIC和混合信號“其他所有” - 這使得大規(guī)模數(shù)字IC與高性能混合信號適當(dāng)分配圖5展示了這種方法如何引領(lǐng)寬帶通信應(yīng)用的趨勢，使其遠(yuǎn)離單芯片解決方案，而單芯片解決方案未能成功地將大規(guī)模數(shù)字處理與高性能混合信號設(shè)備集成。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（》動態(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），低電壓CMOS工藝，而混合信號器件則依賴于針對混合信號進(jìn)行優(yōu)化的高壓CMOS工藝高性能。作為新系列寬帶MxFE的首款器件，AD9873將允許設(shè)計人員利用“智能分區(qū)”。

這就是它的工作原理：深亞微米幾何工藝不能輕易支持高性能D / A和A / D轉(zhuǎn)換器所需的電壓電平，并且數(shù)字噪聲耦合到模擬信號鏈會損壞信號保真度。有時候嘗試將所有內(nèi)容放在單個芯片上會導(dǎo)致價格更高和/或性能更低的解決方案。嘗試將高速和寬動態(tài)范圍混合信號設(shè)備與超大規(guī)模數(shù)字處理相結(jié)合是一個很好的例子。它總是需要在數(shù)字領(lǐng)域（成本），功耗或混合信號性能方面做出妥協(xié)。 AD9873寬帶混合信號前端以及隨后的其他MxFE產(chǎn)品為設(shè)計人員提供了高集成度，低成本和低功耗的優(yōu)勢，同時又不影響性能。

AD9873采用這種優(yōu)化的混合信號技術(shù)和“智能”分區(qū)，為各種調(diào)制格式提供出色的動態(tài)性能 - FSK，QPSK，16/32/64/256 QAM，OFDM，擴(kuò)頻等。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)的幾何上實現(xiàn)。通過這種經(jīng)濟(jì)高效的方法，系統(tǒng)設(shè)計人員可以在自己的數(shù)字ASIC中保留更多“增值”，充分利用他們的系統(tǒng)專業(yè)知識，專有算法和知識產(chǎn)權(quán)。 AD9873的混合信號分區(qū)解決了將VLSI數(shù)字ASIC中的混合信號電路集成到芯片外的成本和性能折衷問題。

AD9873混合信號前端的其他應(yīng)用

除了有線機(jī)頂盒，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

電力線調(diào)制解調(diào)器

衛(wèi)星系統(tǒng)

PC多媒體

寬帶無線通信

家庭網(wǎng)絡(luò)

AD9873主要功能和性能

232MHz正交數(shù)字上變頻器：

DC至70 MHz輸出帶寬

12位直接IF D / A轉(zhuǎn)換器

直接數(shù)字合成

插值和Sin（x）/ x濾波器

12位，33 MSPS直接IF ADC

10位，33 MSPS直接IF ADC

Dual 8位，16.5 MSPS I＆amp; Q ADC

雙12位Σ-Δ控制DAC

帶鉗位電路的視頻輸入

AD8321 / 3的直接接口PGA電纜驅(qū)動器

可編程PLL時鐘倍頻器

3.3 V單電源供電

掉電模式

100引腳MQFP

AD9873的性能在商業(yè)溫度范圍內(nèi)得到了表征;但它可以在-40°至+ 75°C的溫度范圍內(nèi)安全使用。圖7顯示了具有10 MHz輸入的12位ADC性能的頻譜圖。

圖8顯示了產(chǎn)生42 MHz 16-QAM信號的DAC的頻譜圖。圖9顯示了AD9873產(chǎn)生的64-QAM信號的星座圖和眼圖。

評估板和軟件

AD9873評估板和軟件允許用戶輕松編程并快速評估AD9873的特定調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用。