创新的混合信号芯片组面向混合光纤同轴电缆调制解调器

作者：Jim Surber and Curt Ventola

世界正处于广泛接入信息高速公路的新时代的边缘，电缆调制解调器准备提供高速“入口”。电缆调制解调器使具有双向混合光纤同轴电缆（HFC）功能的CATV系统能够用作双向高速数据端口，可用于为家庭提供电话和互联网接入服务。尽管目前只有相对较小的美国人口连接到互联网，但显然其作为有价值的广告和信息资源的声誉正在迅速传播;互联网正在成为信息时代的支柱。

然而，广泛采用互联网的一个障碍是它通过电话调制解调器访问PC的时间非常慢。反应缓慢，以及随之而来的用户挫败感，减缓了市场增长，并阻止了互联网成为普通家庭消费者不可或缺的信息工具。有线网络行业已将此视为利用其庞大的电缆设备资源和 1 GHz 网络带宽为家庭、机构和企业提供更高速交互式数据服务的机会，从而产生额外收入。主要的电缆行业多系统运营商（MSO）已宣布他们打算在1998年之前全面部署电缆调制解调器服务。

按照最初的设计，典型的有线电视电缆设备旨在将高质量的电视信号单向传送到家庭。提供电缆调制解调器和其他交互式视频服务的前景要求系统所有者通过提供双向信号功能来升级其工厂。这需要安装双向混合光纤同轴电缆干线和2分频线路放大器。据估计，大约20%的现有有线电视工厂已经升级到完全双向能力。这意味着大约20万美国家庭和企业可以利用双向有线电视服务。

与流行的电话调制解调器连接相比，通过有线调制解调器和有线电视网络访问互联网的优势是什么？首先，电缆调制解调器在突发模式下运行;这意味着，虽然它仍然与电缆设备保持物理连接，但它仅在传输突发数据时才使用网络资源。这使得电缆调制解调器可以有效地始终“登录”到互联网，并为即时双向数据传输做好准备。要使用电话调制解调器实现这一目标，需要一条专用的电话线，这导致了电缆调制解调器的下一个关键优势：电缆调制解调器在用户“上网”时不会占用电话线。使用电话调制解调器访问时，除非有专用电话线，否则在互联网会话期间将暂停正常电话服务。

电缆调制解调器的另一个优点是大大提高了数据传输速度。与标准电话调制解调器服务（最大 36 kb/s）相比，电缆调制解调器的下行数据速率高达 10 Mb/s 和上行速度为 28 Mb/s。数据传输速度的这种多倍的提高意味着互联网访问速度通常将受到URL文件服务器而不是调制解调器波特率的限制。当用户下载大型图形、视频或图像文件时，这一点尤其重要。通过 56.8 kb/s 电话调制解调器下载需要 28 分钟的文件通过电缆调制解调器需要 8 秒。这种访问速度的提高将释放互联网成像潜力的真正力量。

图1.HFC有线电视工厂的框图。

有线电视行业希望用于上网的电缆调制解调器成为“现成”物品，由消费者购买和维护，非常像电话调制解调器。为此，电缆调制解调器需要具有互操作性，这意味着给定的电缆调制解调器将在不同的电缆系统中工作，使用不同供应商的前端设备。为了实现电缆调制解调器的互操作性，需要通用标准，事实上，它们正在出现。多媒体有线网络系统（MCNS）集团已经发布了通过HFC网络进行交互式通信的“电缆服务接口数据规范”。MCNS标准已被许多较大的电缆MSO认可为其工作标准。IEEE 802.14委员会也在为HFC电缆网络制定一套标准，DAVIC和DVB标准已经发布并正在欧洲部署。然而，对于有线电话，上游/下游传输采用专有算法，互操作性不是问题。

基本电缆调制解调器由射频接收器和发射器物理层 PHY 组成，用于调制/解调数据，4 Analog Dialogue 31-3 （1997） 媒体访问控制器 MAC，用于执行主系统控制功能。当标准完全部署后，下游数据传输将在42-850 MHz频段进行，现有的6 MHz CATV网络信道间隔。下游数字调制格式将为64-QAM（正交幅度调制），未来将迁移到256-QAM。氢氟碳化物的数据传输系统将是不对称的;数据速率将比上游更快。这通常与互联网冲浪应用程序兼容，因为典型的http导航要求发送到计算机的数据比发送到网络的数据要多得多。

使用电缆调制解调器时所需的上行传输路径是有线电视设备的主要新要求。有线电视行业为返回路径功能分配的带宽在美国为5-42 MHz，在欧洲为5-65 MHz。预计此特定带宽将包含大量脉冲噪声或“quto;ingress”，这将使反向路径通信变得困难。最初，大多数电缆调制解调器供应商正在使用一种相对简单的调制格式，即正交相移键控（QPSK）。未来，随着电缆工厂环境的进一步升级和改善，将转向16-QAM上行调制格式，以提高上行数据传输的bits/Hz效率。

电缆调制解调器的上游发射器（Tx）部分的一些技术和市场驱动要求是：

通过数字控制实现输出频率捷变

调制和输出功率参数的全数字控制

调制输出载波上的高无杂散动态范围 （SFDR）

具有高功能水平的集成数字信号处理

低成本

低功耗

ADI公司在为上游发射需求提供最佳硅解决方案方面处于独特的地位;它完全属于ADI混合信号和线性核心竞争力的领域。AD9853/AD8320上游发射芯片组现已上市，集成了高速数字和模拟模块，可为HFC上游发送器要求提供完整的ASIC解决方案。AD9853是一款调制器功能，专为满足HFC上游功能的可互操作和专有实现的要求而设计。AD8320是一款配套电缆驱动器放大器，具有数字可编程增益功能;与AD9853调制器的输出相匹配，它通过调制载波直接驱动电缆设备。AD9853和AD8320共同完全满足HFC返回路径要求。

AD9853 CMOS数字调制器集成了高速转换、直接数字频率合成和数字信号处理技术。调制器架构始终采用数字结构，这在I/Q通道相位和幅度匹配以及长期调制器稳定性方面具有明显的优势。AD9853通过兼容I 2 C的串行控制总线进行编程和控制。基本调制器模块由一个输入通道编码器组成，该编码器将输入数据流格式化为所需的位图星座和调制格式。数据流被解复用到I/Q通道数据路径中，这些路径经过单独的FIR滤波，为受控输出突发斜坡提供所需的脉冲响应特性。然后使用插值滤波器级将FIR滤波器的有效输出数据速率与直接数字频率合成器（DDS）的输出采样频率相匹配，以实现频率上变频。AD9853采用先进的DDS功能，可生成精确的正弦和余弦数字波形，与高速混频器级中的脉冲形数据比特流混频，并创建5-42 MHz调制载波。DDS还负责使设备具有高度的频率捷变性;其 32 位调谐字功能使输出端的调制载波能够以 0.029 Hz 的分辨率进行调谐。

高速加法器级将上变频的数字I和Q数据相加，形成一条数据路径，该路径可通过高速10位D/A转换器转换为模拟域。SINC滤波器用于“预补偿”数据流，以实现高速D/A转换器量化输出功能的sinx/x滚降。AD9853的CMOS D/A转换器级的专利架构在55 MHz Aout时具有40 dB SFDR，可与昂贵且耗电的双极性DAC提供的性能相媲美。

AD9853的一个关键系统成本节约特性是其×6参考时钟乘法器电路，它基本上允许AD9853在内部为DDS频率合成器生成高速时钟，从而节省用户实现外部122 MHz参考时钟（160 MHz载波应用为65 MHz时钟）的费用和系统设计难度。SFDR规格是在启用低抖动时钟乘法器电路的情况下实现的。支持HFC 2路通信应用要求的其他可编程功能包括前向纠错、数据加扰和前导码字插入。这些是为在电缆调制解调器的可互操作实现中成功传输突发数据包数据传输而指定的功能。AD9853还具有输出串行数据控制功能，可直接与电缆驱动器放大器AD8320接口。该控制功能允许AD9853在突发传输序列中的适当时间自动使能AD8320，并允许电缆调制解调器的MAC功能通过AD9853的控制总线控制调制解调器的输出功率。

图2.AD9853数字调制器框图

AD9853调制器输出通过外部低通滤波器连接到AD8320可编程电缆驱动器放大器的输入端，这是抑制DAC采样输出产生的混叠镜像所必需的。第一个锯齿图像出现在F采样–F外，这就需要一个相当锐利的截止低通滤波器功能。可以在AD7和AD75之间实现一个廉价的9853极点椭圆形低通无源8320欧姆LC滤波器，以充分抑制HFC网络应用的输出混叠。

图3.数字可编程AD8320原理框图 电缆驱动器放大器。

AD8320是一款数字可编程电缆驱动器放大器（采用双极性IC工艺），可直接与75 Ω电缆工厂接口。它提供 36 dB 的可编程增益范围，最大功率输出电平为 >18 dBm （6.2 V），适用于 75 Ω 负载。AD8320的增益通过8位SPI串行控制字进行控制。AD8320通过一组8个二进制加权跨导（gm） 级，并联连接到其各自的负载电阻。磁芯的总衰减由 g 的组合决定m由数据锁存器选择的阶段。八克m级具有256个衰减级别，可提供动态范围为36 dB（≅64 V/V满量程）的线性增益函数。

在8320 Ω输出功率电平为57 dBm时，AD2的谐波失真典型值为42 MHz输出时为–54.65 dB，12 MHz输出时谐波失真典型值为–75 dB。这种动态性能支持通过HFC网络提供有线电话和数据服务的要求。AD8320的输出级具有75 Ω的动态输出阻抗。这允许器件输出直接单端连接到CATV工厂，而无需后部端接，从而保留了使用传统低输出Z驱动器放大器所需的6 Ω反向端接电阻会损失的75 dBm负载功率。事实上，AD8320在器件关断期间的输出端保持75 Ω阻抗，以最大限度地减少转换期间的毛刺。这有助于最大限度地减少线路反射，并确保共享电缆连接的任何正向模式设备的正确滤波器操作。动态75 Ω输出阻抗的另一个优点是，它通过消除昂贵的GaAs开关来显著节省成本，否则需要该开关来最小化过渡毛刺。

图4.AD9853和AD8320在上游发射应用中的应用。

AD9853/AD8320芯片组组合为HFC上游发射功能提供集成芯片组提供最高的动态性能。如图5a所示，芯片组通常会向电缆工厂的双工器滤波器提供信号，对于50 MHz 42 QAM调制载波，具有<16 dB的杂散抑制。图5b和c显示了16-QAM调制载波的典型眼图和星座;该芯片组提供 <2% 的误差电压幅度 （EVM） 性能。I/Q相位不平衡通常小于10，由于全数字调制器方案。可用的电路板AD9853-45PCB有助于评估，其中包括AD9853、AD8320和45 MHz LP滤波器。

图5.AD9853/AD8320芯片组性能，采用42MHz载波16-QAM调制@320 ksym/s。输出光谱图。b. 眼图。c. 16-QAM星座。

总而言之，上游发射芯片组凭借其高水平的功能集成和最先进的混合信号技术，如今为双向HFC网络提供了有效的硅解决方案，以帮助家庭消费者迎来下一波信息资源。值得期待的发展包括紧凑型下游调谐器和解调器，以及最终的单芯片完整电缆调制解调器解决方案。

审核编辑：郭婷