創新的混合信號芯片組面向混合光纖同軸電纜調制解調器

作者：Jim Surber and Curt Ventola

世界正處于廣泛接入信息高速公路的新時代的邊緣，電纜調制解調器準備提供高速“入口”。電纜調制解調器使具有雙向混合光纖同軸電纜（HFC）功能的CATV系統能夠用作雙向高速數據端口，可用于為家庭提供電話和互聯網接入服務。盡管目前只有相對較小的美國人口連接到互聯網，但顯然其作為有價值的廣告和信息資源的聲譽正在迅速傳播;互聯網正在成為信息時代的支柱。

然而，廣泛采用互聯網的一個障礙是它通過電話調制解調器訪問PC的時間非常慢。反應緩慢，以及隨之而來的用戶挫敗感，減緩了市場增長，并阻止了互聯網成為普通家庭消費者不可或缺的信息工具。有線網絡行業已將此視為利用其龐大的電纜設備資源和 1 GHz 網絡帶寬為家庭、機構和企業提供更高速交互式數據服務的機會，從而產生額外收入。主要的電纜行業多系統運營商（MSO）已宣布他們打算在1998年之前全面部署電纜調制解調器服務。

按照最初的設計，典型的有線電視電纜設備旨在將高質量的電視信號單向傳送到家庭。提供電纜調制解調器和其他交互式視頻服務的前景要求系統所有者通過提供雙向信號功能來升級其工廠。這需要安裝雙向混合光纖同軸電纜干線和2分頻線路放大器。據估計，大約20%的現有有線電視工廠已經升級到完全雙向能力。這意味著大約20萬美國家庭和企業可以利用雙向有線電視服務。

與流行的電話調制解調器連接相比，通過有線調制解調器和有線電視網絡訪問互聯網的優勢是什么？首先，電纜調制解調器在突發模式下運行;這意味著，雖然它仍然與電纜設備保持物理連接，但它僅在傳輸突發數據時才使用網絡資源。這使得電纜調制解調器可以有效地始終“登錄”到互聯網，并為即時雙向數據傳輸做好準備。要使用電話調制解調器實現這一目標，需要一條專用的電話線，這導致了電纜調制解調器的下一個關鍵優勢：電纜調制解調器在用戶“上網”時不會占用電話線。使用電話調制解調器訪問時，除非有專用電話線，否則在互聯網會話期間將暫停正常電話服務。

電纜調制解調器的另一個優點是大大提高了數據傳輸速度。與標準電話調制解調器服務（最大 36 kb/s）相比，電纜調制解調器的下行數據速率高達 10 Mb/s 和上行速度為 28 Mb/s。數據傳輸速度的這種多倍的提高意味著互聯網訪問速度通常將受到URL文件服務器而不是調制解調器波特率的限制。當用戶下載大型圖形、視頻或圖像文件時，這一點尤其重要。通過 56.8 kb/s 電話調制解調器下載需要 28 分鐘的文件通過電纜調制解調器需要 8 秒。這種訪問速度的提高將釋放互聯網成像潛力的真正力量。

圖1.HFC有線電視工廠的框圖。

有線電視行業希望用于上網的電纜調制解調器成為“現成”物品，由消費者購買和維護，非常像電話調制解調器。為此，電纜調制解調器需要具有互操作性，這意味著給定的電纜調制解調器將在不同的電纜系統中工作，使用不同供應商的前端設備。為了實現電纜調制解調器的互操作性，需要通用標準，事實上，它們正在出現。多媒體有線網絡系統（MCNS）集團已經發布了通過HFC網絡進行交互式通信的“電纜服務接口數據規范”。MCNS標準已被許多較大的電纜MSO認可為其工作標準。IEEE 802.14委員會也在為HFC電纜網絡制定一套標準，DAVIC和DVB標準已經發布并正在歐洲部署。然而，對于有線電話，上游/下游傳輸采用專有算法，互操作性不是問題。

基本電纜調制解調器由射頻接收器和發射器物理層 PHY 組成，用于調制/解調數據，4 Analog Dialogue 31-3 （1997） 媒體訪問控制器 MAC，用于執行主系統控制功能。當標準完全部署后，下游數據傳輸將在42-850 MHz頻段進行，現有的6 MHz CATV網絡信道間隔。下游數字調制格式將為64-QAM（正交幅度調制），未來將遷移到256-QAM。氫氟碳化物的數據傳輸系統將是不對稱的;數據速率將比上游更快。這通常與互聯網沖浪應用程序兼容，因為典型的http導航要求發送到計算機的數據比發送到網絡的數據要多得多。

使用電纜調制解調器時所需的上行傳輸路徑是有線電視設備的主要新要求。有線電視行業為返回路徑功能分配的帶寬在美國為5-42 MHz，在歐洲為5-65 MHz。預計此特定帶寬將包含大量脈沖噪聲或“quto;ingress”，這將使反向路徑通信變得困難。最初，大多數電纜調制解調器供應商正在使用一種相對簡單的調制格式，即正交相移鍵控（QPSK）。未來，隨著電纜工廠環境的進一步升級和改善，將轉向16-QAM上行調制格式，以提高上行數據傳輸的bits/Hz效率。

電纜調制解調器的上游發射器（Tx）部分的一些技術和市場驅動要求是：

通過數字控制實現輸出頻率捷變

調制和輸出功率參數的全數字控制

調制輸出載波上的高無雜散動態范圍 （SFDR）

具有高功能水平的集成數字信號處理

低成本

低功耗

ADI公司在為上游發射需求提供最佳硅解決方案方面處于獨特的地位;它完全屬于ADI混合信號和線性核心競爭力的領域。AD9853/AD8320上游發射芯片組現已上市，集成了高速數字和模擬模塊，可為HFC上游發送器要求提供完整的ASIC解決方案。AD9853是一款調制器功能，專為滿足HFC上游功能的可互操作和專有實現的要求而設計。AD8320是一款配套電纜驅動器放大器，具有數字可編程增益功能;與AD9853調制器的輸出相匹配，它通過調制載波直接驅動電纜設備。AD9853和AD8320共同完全滿足HFC返回路徑要求。

AD9853 CMOS數字調制器集成了高速轉換、直接數字頻率合成和數字信號處理技術。調制器架構始終采用數字結構，這在I/Q通道相位和幅度匹配以及長期調制器穩定性方面具有明顯的優勢。AD9853通過兼容I 2 C的串行控制總線進行編程和控制?；菊{制器模塊由一個輸入通道編碼器組成，該編碼器將輸入數據流格式化為所需的位圖星座和調制格式。數據流被解復用到I/Q通道數據路徑中，這些路徑經過單獨的FIR濾波，為受控輸出突發斜坡提供所需的脈沖響應特性。然后使用插值濾波器級將FIR濾波器的有效輸出數據速率與直接數字頻率合成器（DDS）的輸出采樣頻率相匹配，以實現頻率上變頻。AD9853采用先進的DDS功能，可生成精確的正弦和余弦數字波形，與高速混頻器級中的脈沖形數據比特流混頻，并創建5-42 MHz調制載波。DDS還負責使設備具有高度的頻率捷變性;其 32 位調諧字功能使輸出端的調制載波能夠以 0.029 Hz 的分辨率進行調諧。

高速加法器級將上變頻的數字I和Q數據相加，形成一條數據路徑，該路徑可通過高速10位D/A轉換器轉換為模擬域。SINC濾波器用于“預補償”數據流，以實現高速D/A轉換器量化輸出功能的sinx/x滾降。AD9853的CMOS D/A轉換器級的專利架構在55 MHz Aout時具有40 dB SFDR，可與昂貴且耗電的雙極性DAC提供的性能相媲美。

AD9853的一個關鍵系統成本節約特性是其×6參考時鐘乘法器電路，它基本上允許AD9853在內部為DDS頻率合成器生成高速時鐘，從而節省用戶實現外部122 MHz參考時鐘（160 MHz載波應用為65 MHz時鐘）的費用和系統設計難度。SFDR規格是在啟用低抖動時鐘乘法器電路的情況下實現的。支持HFC 2路通信應用要求的其他可編程功能包括前向糾錯、數據加擾和前導碼字插入。這些是為在電纜調制解調器的可互操作實現中成功傳輸突發數據包數據傳輸而指定的功能。AD9853還具有輸出串行數據控制功能，可直接與電纜驅動器放大器AD8320接口。該控制功能允許AD9853在突發傳輸序列中的適當時間自動使能AD8320，并允許電纜調制解調器的MAC功能通過AD9853的控制總線控制調制解調器的輸出功率。

圖2.AD9853數字調制器框圖

AD9853調制器輸出通過外部低通濾波器連接到AD8320可編程電纜驅動器放大器的輸入端，這是抑制DAC采樣輸出產生的混疊鏡像所必需的。第一個鋸齒圖像出現在F采樣–F外，這就需要一個相當銳利的截止低通濾波器功能?？梢栽贏D7和AD75之間實現一個廉價的9853極點橢圓形低通無源8320歐姆LC濾波器，以充分抑制HFC網絡應用的輸出混疊。

圖3.數字可編程AD8320原理框圖 電纜驅動器放大器。

AD8320是一款數字可編程電纜驅動器放大器（采用雙極性IC工藝），可直接與75 Ω電纜工廠接口。它提供 36 dB 的可編程增益范圍，最大功率輸出電平為 >18 dBm （6.2 V），適用于 75 Ω 負載。AD8320的增益通過8位SPI串行控制字進行控制。AD8320通過一組8個二進制加權跨導（gm） 級，并聯連接到其各自的負載電阻。磁芯的總衰減由 g 的組合決定m由數據鎖存器選擇的階段。八克m級具有256個衰減級別，可提供動態范圍為36 dB（?64 V/V滿量程）的線性增益函數。

在8320 Ω輸出功率電平為57 dBm時，AD2的諧波失真典型值為42 MHz輸出時為–54.65 dB，12 MHz輸出時諧波失真典型值為–75 dB。這種動態性能支持通過HFC網絡提供有線電話和數據服務的要求。AD8320的輸出級具有75 Ω的動態輸出阻抗。這允許器件輸出直接單端連接到CATV工廠，而無需后部端接，從而保留了使用傳統低輸出Z驅動器放大器所需的6 Ω反向端接電阻會損失的75 dBm負載功率。事實上，AD8320在器件關斷期間的輸出端保持75 Ω阻抗，以最大限度地減少轉換期間的毛刺。這有助于最大限度地減少線路反射，并確保共享電纜連接的任何正向模式設備的正確濾波器操作。動態75 Ω輸出阻抗的另一個優點是，它通過消除昂貴的GaAs開關來顯著節省成本，否則需要該開關來最小化過渡毛刺。

圖4.AD9853和AD8320在上游發射應用中的應用。

AD9853/AD8320芯片組組合為HFC上游發射功能提供集成芯片組提供最高的動態性能。如圖5a所示，芯片組通常會向電纜工廠的雙工器濾波器提供信號，對于50 MHz 42 QAM調制載波，具有<16 dB的雜散抑制。圖5b和c顯示了16-QAM調制載波的典型眼圖和星座;該芯片組提供 <2% 的誤差電壓幅度 （EVM） 性能。I/Q相位不平衡通常小于10，由于全數字調制器方案?？捎玫碾娐钒錋D9853-45PCB有助于評估，其中包括AD9853、AD8320和45 MHz LP濾波器。

圖5.AD9853/AD8320芯片組性能，采用42MHz載波16-QAM調制@320 ksym/s。輸出光譜圖。b. 眼圖。c. 16-QAM星座。

總而言之，上游發射芯片組憑借其高水平的功能集成和最先進的混合信號技術，如今為雙向HFC網絡提供了有效的硅解決方案，以幫助家庭消費者迎來下一波信息資源。值得期待的發展包括緊湊型下游調諧器和解調器，以及最終的單芯片完整電纜調制解調器解決方案。

審核編輯：郭婷