多功能混合信號前端加快有線寬帶調制解調器和家庭網絡的定制設計

作者：Joe DiPilato, Iuri Mehr, and Brian Harrington

寬帶調制解調器（主要基于電纜和DSL技術）的廣泛增長使寬帶通信可用于世界各地的住宅家庭，用于互聯網接入，互動游戲和遠程辦公等應用。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導致家庭網絡越來越受歡迎，用于共享工作、學術和娛樂的互聯網訪問和打印機資源。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國內網絡。

圖1.家庭網絡/寬帶接入配置。

已經開發了各種技術來解決家用計算機和外圍設備之間的高速通信，并與集線器（或網關）接口以進行寬帶訪問。直到最近，以太網一直是在家庭內提供網絡的最可行方法。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，以太網有一個主要缺點——要求在整個家庭中布線 5 類 （CAT5） 電纜。這幾乎總是意味著房主必須鋪設新電線——這是一個繁瑣且可能昂貴的解決方案。

無線 LAN 提供了一種不需要安裝新電線的以太網替代方案。盡管無線解決方案很方便，但由于成本較高、潛在的不安全性、多種競爭標準、缺乏互操作性以及干擾/魯棒性問題，它取得了有限的成功。IEEE 802.11無線標準的最新進展以及WiFi聯盟的出現增加了無線家庭網絡的前景。然而，頻譜的稀缺性和無處不在的強效干擾源（如微波爐、車庫開門器等）將繼續給無線家庭網絡帶來諸多挑戰，包括成本增加。

較新的首選有線技術是那些不需要“新電線”的技術;它們通過避免安裝新電纜的負擔，為房主提供了一種潛在的更好的方式來建立家庭網絡，同時以可承受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線或電力線布線。直到最近，由于信道質量非常差，利用這種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、硅制造幾何尺寸持續減少帶來的成本降低以及高速混合信號電路性能的提高，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。和 HomePlug?標準描述了實現數據速率與HPNA相當的電力線網絡系統的規范。

這些有線家庭網絡技術以及DSL和電纜等高速接入技術需要傳輸介質（電力線、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。

本文將討論最近推出的AD9875和AD9876 MxFE器件專門針對寬帶家庭網絡和寬帶接入應用而開發，這兩種應用都需要高數據速率或高達25 MHz的信號帶寬，并且在功能、性能和成本方面提出了類似的要求。鑒于其靈活性，這些器件可用于家庭網絡（HomePlug，HPNA）和高速數據訪問（VDSL，電力線）的調制解調器。它們專為大容量、成本敏感型消費類應用而開發，為系統解決方案提供商提供卓越的價值。

圖2描述了MxFE芯片所發揮的通用作用。一旦信號經過適當接口，其接收 （Rx） 電路就會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，以產生可由數字物理層 （PHY） 和/或媒體訪問控制器 （MAC） 處理的多路復用數字信號。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。該器件設計基于優化系統性能的目標，無論其I/O的模擬或數字性質如何，正如ADI公司的“智能分區方法”（見附錄）所實現的那樣。

圖2.典型的有線網絡節點。

圖2表示一個典型的有線網絡節點。MxFE功能可以通過混合變壓器模塊無源連接到電纜介質，也可以主動連接到電纜介質，接收側有放大器，發射側有驅動器。在數字端，MxFE 器件需要與駐留在單獨芯片上的 PHY 和 MAC 接口。

對于家庭網絡和高速接入市場的MxFE電路設計人員來說，性能、上市時間和低成本至關重要的因素。在這種類型的新興寬帶通信應用中，分立式模擬元件可能非常昂貴、耗電且對電路板空間要求很高。通過將困難的混合信號、模擬、數字和信號處理功能集成到單個芯片（如AD9875/AD9876）上，實現了成本、性能、尺寸和功耗的組合，使復雜的消費市場通信產品成為可能。事實上，通過在數字門陣列或ASIC中實施其知識產權和設計專業知識，結合這些器件，設計工程師可以比以往更快地開發新產品和原型，以利用快速變化的市場。

圖3所示為用于寬帶調制解調器的混合信號前端轉換器AD9875/AD9876的框圖。在模擬方面，AD9875和AD9876集成了ADC、DAC、時鐘生成、可編程增益放大以及模擬和數字濾波電路，以提供通常采用成本更高的分立解決方案實現的集成度和性能水平。該ADC采用流水線多級架構，在低功耗的同時實現高采樣速率。在AD9875中，接收路徑在9 MSPS時提供5.32 ENOB，在8 MSPS時提供6.50 ENOB。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。

在數字端，DAC輸入和ADC輸出位于單獨的端口上，以適應全雙工和半雙工操作。每個轉換器的端口都多路復用為高字節和低字節，以減少封裝引腳的數量。[10年夏季上市的9875位半雙工器件AD2002-HD將無縫連接到目前可用的符合HomePlug標準的物理層數字ASIC，該ASIC支持多路復用發送和接收數據端口。

圖3.AD9875/6原理框圖

低成本、靈活、高性能、現成的混合信號前端（如這些）的可用性，以及使用各種調制格式（包括 OFDM）的寬帶調制解調器設計優化功能，簡化了供應商和 OEM 的 ASIC 設計、規格和測試流程，并可大幅縮短上市時間。AD9875/AD9876的獨特特性使這些器件非常適合電話和電力線網絡以及某些xDSL應用。

寬帶有線調制解調器

寬帶調制解調器中常見的具有高峰均比的寬帶信號（無論采用何種調制方案）對系統的模擬和混合信號處理組件提出了很高的要求。圖2和圖9875中的AD9876/AD3框圖共同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的每個模塊，盡管它們中的大多數確實采用相同或相似的功能，而其他調制解調器甚至可能需要額外的功能塊，如額外的模擬濾波。有線調制解調器的塊級組件可分為三個主要功能;發送路徑、線路耦合器或混合路徑以及接收路徑。大多數發射和接收模塊由AD9875/AD9876元件直接尋址。

發射路徑的主要功能是以足夠的保真度將信號發送到線路上，以足夠高的信噪比（SNR）到達導線的遠端，從而允許在接收器端進行忠實的解碼。通常，發射器還必須在符合頻譜模板的同時執行此操作，以確保調制解調器不會在其通道帶寬之外造成過多的噪聲。滿足功率譜密度（PSD）模板的要求通常會推動發射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，所需的位數將取決于所需的SNR、信號的峰均比（PAR）以及信號帶寬與采樣速率的比值。對于給定的SNR要求，隨著信號帶寬和PAR的增加，需要更高精度的轉換器。通常，最苛刻的DAC性能參數是其無雜散動態范圍（SFDR）。非理想DAC傳遞函數產生的雜散可能出現在頻譜中的任何位置。如果雜散的幅度很高并且落在信號頻段附近，則可能無法充分濾波。DAC的SFDR性能必須能夠滿足系統線性度要求。

AD9875/AD9876集成10位/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鏡像頻率遠離目標信號的頻率，可能會導致外部模擬濾波器要求大大簡化，從而降低復雜性和成本。理想情況下，驅動器將能夠提供發射路徑增益并提供所需的輸出功率，同時保持DAC線性度性能。在DAC的可用峰值輸出功率不足的情況下，AD832x電纜驅動器或AD8xxx DSL驅動器可以提供導線接口。為了提供具有低失真的高峰值輸出信號，放大器的輸出級需要高電壓軌和高偏置電流，這與低功耗和CMOS集成的需求相沖突。

調制解調器的模擬前端耦合到線路的方法取決于調制/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簡單的變壓器耦合到線路，以及將發射器或接收器連接到變壓器的開關。主要問題是連接時的開關和建立時間是否滿足系統要求。FDD調制解調器通常采用混合模式將調制解調器的模擬前端連接到線路。需要混合信號，因為調制解調器可以傳輸大信號，而接收器正在偵聽衰減很大的信號，這些信號可能要小幾個數量級。為了限制從發射器到接收器的信號耦合量，使用了某種類型的線路匹配、消除電路和濾波。AD9875/AD9876集成了一個具有可變截止頻率的低通模擬接收濾波器（圖3中的LPF），可滿足各種信號帶寬要求。

接收器在接收通道帶寬內保持輸入信號SNR的有效性將是調制解調器原始數據速率的最重要決定因素。接收信號在信號帶寬上的信噪比，由信道確定;對通道將承載的數據量進行了基本限制。線路接口和數字輸出樣本之間的電路中超出此范圍的任何性能下降都被視為實現噪聲，并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以兩種方式降低接收器SNR。首先，通過采樣過程，可以將存在的噪聲折回目標信號頻帶，從而提高現有的本底噪聲。其次，如果噪聲和干擾比所需信號大幾個數量級，這將降低可用于補償信號衰減的增益，從而再次導致SNR降低。有效的過濾對于減少這些影響至關重要。為了優化噪聲和失真性能，片內實現了可變增益放大器。該功能由一個連續時間可編程增益級（圖3中的CPGA）和一個離散時間開關可編程增益級（SPGA）共享，夾在LPF之間。在SVGA之后，12/10位ADC以高達50 MHz的采樣率對信號進行數字化處理。

片上還具有多種輔助功能。兩個鎖相環 （PLL） 模塊、一個穩壓器控制電路和一個串行端口接口有助于減少外部組件數量并優化性能。

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，該應用能夠使用QAM調制實現高達32 Mbps的數據速率?；旌闲盘柡?a target="_blank">數字電路的分離使數字ASIC能夠在最具成本效益的幾何形狀上實現。由于調制編碼位于數字ASIC中，設計人員可以最大限度地提高其“附加值”，同時最大限度地縮短上市時間。

圖4.混合信號和（a）（b）（c）

數字接口。圖5.模擬接口。

電力線和 VDSL 調制解調器

AD9876為電源線或VDSL調制解調器提供最佳分區，如圖4、5b和5c所示。AD12集成可編程增益放大器、低通濾波器和2位ADC，結合4倍/12倍插值濾波器和9876位TxDAC D/A轉換器，采用48引腳LQFP封裝，幾乎可以滿足信號鏈的整個模擬部分。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。與此類應用中集成度較低的其他解決方案相比，組件數量可減少多達 50%;并且總物料清單可以減少超過所包含的集成 MxFE 組件的購買價格。利用AD9875/6的集成4倍PLL時鐘乘法器和系統時鐘輸出，可以進一步降低系統成本。它們允許使用廉價的低頻晶體實現整個系統時鐘。?

AD9875/AD9876 主要特性、規格和性能

用于寬帶網絡/調制解調器的低成本3.3V-CMOS混合信號前端轉換器

10/12 位 128 MSPS TxDAC+ 數模轉換器?

64/32 MSPS 輸入字速率

2x/4x 可編程發射路徑插值 LPF 或 BPF

靈活的關斷模式

10/12 位、50 MSPS ADC

4千- 訂購低通濾波器 12 或 26 MHz，帶旁路

–6dB至36dB可編程增益放大器

內部 4x 時鐘乘法器 （PLL） 時鐘輸出

穩壓控制器

48 引腳 LQFP 封裝

AD9875/AD9876的性能在–40°至+85°C擴展工業溫度范圍內得到表征。

以下兩張圖顯示了這些器件在多音應用中的傳輸路徑性能，并說明了它們出色的線性度。圖6顯示了AD9876的互調失真;在指示的條件下，它小于 –80 dB。圖7顯示了發射路徑的多音功率比：在55.70至4.5 MHz頻率范圍內傳輸20個音調時，約為7 dB，對應于HomePlug頻段。

圖6.AD9876的12位DAC的雙色調頻譜圖@f數據= 50 MSPS，

f外= 6.9 兆赫和 7.1 兆赫。

圖7.AD9876的12位DAC的“帶內”多音頻譜圖@f數據= 50 MSPS，

f外= k x 195 kHz， 2 x LPF。

AD9876 12位ADC的性能符合雙頻段VDSL的要求，并已設計用于該應用和電力線接入調制解調器的系統解決方案。圖8是5 MHz正弦輸入的THD與ADC采樣速率的函數關系圖。

圖8.AD9876 12位ADC THD性能與系數的關系模數轉換器O I在= 5 兆赫。

MxFE器件的Rx LPF有兩種頻率設置，一種中心頻率約為10.8 MHz，另一種頻率約為26 MHz。濾波器傳遞函數類似于四階巴特沃斯的濾波器傳遞函數。濾波器具有自整定功能，可校正器件元件在不同部件之間的差異以及溫度漂移。如果需要不同的截止頻率，可以在20%的范圍內調整中心頻率。圖9顯示了選擇較低截止頻率時的LPF性能。

圖9.AD9876 接收 LPF 頻率響應，低 fC.

AD9875/6評估板（圖10）及其軟件允許用戶針對特定調制解調器應用輕松編程和快速評估器件。該評估板提供對器件數字發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。片上配置寄存器可通過PC串行端口進行編程，該串行端口直接連接到評估板上的連接器;駐留 PC 的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連接器或引腳接頭訪問。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。板載數字環回功能允許使用信號源和頻譜分析儀同時測試ADC和DAC。還提供子卡，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，便于對AD9875寄存器進行編程和查詢。提供三個編程窗口。直接寄存器訪問窗口允許AD9875以十進制、二進制或十六進制數據格式進行讀寫和回讀。寄存器映射窗口為AD9875寄存器提供簡單的、面向功能的編程。此窗口以圖形方式顯示所有 MxFE?屏幕上的功能。高級寄存器訪問窗口允許對寄存器訪問序列進行編程。

圖 10.AD9875/6評估設置。

審核編輯：郭婷