多功能混合信号前端助力有线宽带调制解调器和家庭网络的设计

简介

宽带调制解调器的广泛发展（主要基于有线和DSL技术）使全球住宅家庭可以使用宽带通信，用于互联网接入，互动游戏等应用。远程办公。拥有多台个人电脑（PC）的家庭数量也在增加。这些设施的现成可用性已经导致家庭网络的日益普及，用于共享因特网访问和用于工作，学术和娱乐的打印机资源。图1显示了连接到宽带网关和住宅/办公室内各种设备的典型家庭网络。

已经开发了各种技术来解决家庭计算机之间的高速通信问题。外围设备 - 以及与集线器（或网关）的接口，用于宽带接入。直到最近，以太网一直是在家中提供网络的最可行的方法。以太网的吸引力在于基于成熟技术的廉价网络接口卡的可用性。然而，以太网存在一个主要缺点 - 需要在整个家庭中连接 5类（CAT5）电缆。这几乎总是意味着房主必须运行新线路 - 这是一种繁琐且可能很昂贵的解决方案。

无线局域网提供了以太网的替代方案，无需安装新线路。尽管无线解决方案具有便利性，但由于成本较高，潜在的不安全性，多个竞争标准，缺乏互操作性以及干扰/稳健性问题，它取得了有限的成功。 IEEE 802.11中的无线标准的最新进展以及WiFi联盟的出现增加了无线家庭网络的前景。尽管如此，频谱的稀缺性以及诸如微波炉，车库门开启器等强效干扰物的普遍存在将继续给无线家庭网络带来许多挑战，包括增加成本。

较新的首选有线技术是那些需要“无需新线”的技术;它们通过避免安装新布线的负担，为房主提供了建立家庭网络的潜在更好方式，同时以合理的价格提供与以太网相当的性能。在已安装的基础设施上运行的两种选择涉及电话或电力线布线。直到最近，由于信道质量非常差，利用现有的家庭布线进行宽带网络是不可能的。然而，由于信号处理技术的进步，由于硅制造几何形状的持续减少以及高速混合信号电路的性能改进而导致的成本降低，因此具有成本效益的宽带家庭网络现已成为现实。家庭电话网络联盟（HPNA）标准为电话线网络提供了框架，并允许高达10 Mbits / s的数据速率。 HomePlug ™标准描述了实现电力线网络系统的规范，其数据速率与HPNA相当。

这些有线家庭网络这些技术与DSL和电缆等高速接入技术一起，需要传输介质（电源线，电缆，双绞线）与数字基带处理器和控制器之间的混合信号接口。 ADI公司开发了一系列单片混合信号前端（MxFE ™）集成电路（IC）来弥补这一差距（参见Analog Dialogue Volume 35，Number 1，January-February，2001文章，“用于宽带数字机顶盒的AD9873混合信号（MxFE）前端”）。

最近推出的AD9875和AD9876 MxFE器件，将在本文中讨论，专门针对在宽带家庭网络和宽带接入应用中，这两种应用都要求高数据速率或高达25 MHz的信号带宽，并在功能，性能和成本方面提出类似的要求。鉴于其灵活性，这些部件可用于家庭网络（HomePlug，HPNA）和高速数据访问（VDSL，电力线）的调制解调器。它们专为大批量，成本敏感的消费级应用而开发，为系统解决方案提供商提供了卓越的价值。

图2描绘了MxFE芯片的多功能作用。它的接收（Rx）电路一旦接入到适当的接口就接受来自传输介质的（模拟域）信号，并提供模拟信号调理和A / D转换，以产生可以复用的多路数字信号。由数字物理层（PHY）和/或媒体访问控制器（MAC）处理。它还接受来自这些实体的数字数据，对其进行处理并将其转换为模拟数据，并将此传输（Tx）信号输出到媒体接口。器件设计基于优化系统性能的目标 - 无论其I / O的模拟或数字特性如何，均采用ADI的“智能分区方法”（见附录）。

图2表示典型的有线网络节点。 MxFE功能可以通过混合变压器块被动地连接到有线介质，或者主动地通过接收侧的放大器和发送侧的驱动器连接到有线介质。在数字方面，MxFE器件需要与PHY和MAC接口，这些器件位于单独的芯片上。

MxFE电路设计人员用于家庭网络和高速接入的极为重要的因素市场是性能，上市时间和低成本。在这种新兴的宽带通信应用中，分立模拟组件可能非常昂贵，耗电且需要电路板空间。通过在单个芯片（如AD9875 / AD9876）上集成困难的混合信号，模拟，数字和信号处理功能，可以实现成本，性能，尺寸和功耗的组合，从而使复杂的消费市场通信产品成为可能。实际上，通过在数字门阵列或ASIC中实现其知识产权和设计专业知识，结合这些设备，设计工程师可以比以往更快地开发新产品和原型，以充分利用快速变化的市场。

图3显示了用于宽带调制解调器的AD9875 / AD9876混合信号前端转换器的框图。在模拟方面，AD9875和AD9876将ADC，DAC，时钟产生，可编程增益放大以及模拟和数字滤波电路相结合，提供通常采用分立式解决方案实现的成本水平和性能。 ADC采用流水线式多级架构，可实现高采样率，同时功耗低。在AD9875中，接收路径提供9.5 ENOB，32 MSPS，8.6 ENOB，50 MSPS。 AD9876的可比数字为10.2 ENOB @ 32 MSPS和9.3 ENOB @ 50 MSPS。每个器件中的DAC分别为10位和12位插值TxDAC ™电路。

在数字方面，DAC输入和ADC输出可在不同的端口上使用适应全双工和半双工操作。每个转换器的端口都复用为高低通道，以减少封装引脚的数量。 [一款10位半双工器件，AD9875-HD，于2002年夏季推出，将无缝连接到当前可用的HomePlug兼容物理层数字ASIC，支持多路复用传输和接收数据端口。]

低成本，灵活，高性能，现成的混合信号前端（如这些）的可用性，并进行了优化使用各种调制格式（包括OFDM）的宽带调制解调器设计的功能简化了供应商和OEM的ASIC设计，规范和测试过程，并且可以大大缩短产品上市时间。 AD9875 / AD9876的独特功能使这些器件非常适用于电话和电源线网络以及一些xDSL应用。

宽带有线调制解调器

无论采用何种调制方案，宽带调制解调器中常见的具有高峰均比的宽带信号对系统的模拟和混合信号处理提出了很高的要求组件。图2和图3中的AD9875 / AD9876框图一起显示了通用有线宽带调制解调器的详细信息。并非每个调制解调器都需要显示每个块，尽管它们中的大多数确实使用相同或类似的功能，而其他调制解调器甚至可能需要额外的功有线调制解调器的块级组件可以分为三个主要功能;发送路径，线路耦合器或混合器，以及接收路径。大多数发送和接收模块由AD9875 / AD9876组件直接寻址。

发送路径的主要功能是将信号以足够的保真度发送到线路上。以足够高的信噪比（SNR）到达导线的远端，以便在接收器端进行忠实的解码。总是，发射器必须在符合频谱掩模的情况下执行此操作，以确保调制解调器不会在其信道带宽之外引起过多噪声。满足功率谱密度（PSD）掩模的要求通常会推动发送路径组件的设计和性能要求。最受关注的两个转换器参数是位数和采样率。

对于DAC，所需的位数取决于所需的SNR，即信号的峰均比（PAR）和信号带宽与采样率的比率。对于给定的SNR要求，需要更高精度的转换器作为信号带宽和PAR增加。通常最苛刻的DAC性能参数是无杂散动态范围（SFDR）。由非理想DAC传递函数产生的杂散可能出现在频谱中的任何地方。如果杂散的幅度很高并且接近信号频带，则它们可能无法充分过滤。 DAC的SFDR性能必须能够满足系统线性度要求。

AD9875 / AD9876内置一个10/12位DAC，并利用插值滤波器对输入数据进行过采样。过采样，因为它使DAC图像频率远离所需信号的频率，可能导致外部模拟滤波器要求大大简化，从而降低了复杂性和成本。理想情况下，驱动器将能够提供发送路径增益并提供所需的输出功率，同时保持DAC线性性能。如果DAC的可用峰值输出功率不足，AD832x电缆驱动器或AD8xxx DSL驱动器可以为线路提供接口。为了提供低失真的高峰值输出信号，放大器输出级需要高压轨和高偏置电流，这与低功耗和CMOS集成的需求相冲突。

耦合调制解调器的方法线路的模拟前端取决于调制/解调（调制解调器）的类型是时域双工（TDD）还是频域双工（FDD）。 TDD调制解调器通常采用耦合到线路的简单变压器和将发射器或接收器连接到变压器的开关。主要关注的是，连接时的切换和建立时间满足系统要求。 FDD调制解调器通常使用 hybrid 将调制解调器的模拟前端连接到线路。混频是必需的，因为调制解调器可以传输大信号，而接收器正在收听大大衰减的信号 - 这可能要小几个数量级。为了限制从发射器到接收器的信号耦合量，使用某种类型的线匹配，消除电路和滤波。 AD9875 / AD9876集成了一个低通模拟接收滤波器（图3中的LPF）和可变截止，以满足各种信号带宽要求。

接收器保持输入信号SNR的有效性接收信道带宽将是调制解调器原始数据速率的最重要决定因素。信道带宽上的接收信号的SNR，由信道确定;对通道将携带的数据量进行基本限制。线路接口和数字输出样本之间的电路中的任何降级都被认为是实现 噪声，并且由接收器的质量决定。接收器的工作是消除带外信道噪声并补偿信号衰减，然后将模拟信号数字化以进行进一步的数字信号处理。

线路上的带外噪声和干扰会以两种方式降低接收器SNR。首先，存在的噪声可以通过采样过程折回到感兴趣的信号带中，从而提高现有的本底噪声。其次，如果噪声和干扰大于所需信号的数量级，则这将减小可应用于信号的增益以补偿信号衰减 - 再次导致较低的SNR。有效的过滤对于减少这些影响至关重要。为了优化噪声和失真性能，在片上实现了可变增益放大器。该功能由连续时间可编程增益级（图3中的CPGA）和离散时间开关可编程增益级（SPGA）共享，将LPF夹在中间。在SVGA之后，12位/ 10位ADC以高达50 MHz的采样速率对信号进行数字化处理。

片上还有几个辅助功能。两个锁相环（PLL）模块，一个电压调节器控制电路和一个串行端口接口有助于减少外部元件数量

电话线网络

图4和图5a显示了AD9875在电话线网络应用中的应用，它使用QAM调制，数据速率最高可达32 Mbps。混合信号和数字电路的分离允许数字ASIC以最具成本效益的几何形状实现。由于调制编码位于数字ASIC中，因此设计人员可以最大限度地提高其“增值”，同时最大限度地缩短产品上市时间。

电源线和VDSL调制解调器

AD9876为电源线或VDSL调制解调器提供了最佳分区，如图4,5b和5c所示。凭借其集成的可编程增益放大器，低通滤波器和12位ADC，结合2x / 4x插值滤波器和12位TxDAC ® D / A转换器，AD9876几乎可提供信号链的整个模拟部分 - 采用48引脚LQFP封装。通过添加模拟滤波器和线路驱动器，设计人员可以通过集成的单芯片解决方案将电源线或VDSL调制解调器产品快速推向市场。与此类应用中的其他集成度较低的解决方案相比，组件数量可减少多达50％;并且整体物料清单可以减少超过所包含的集成MxFE组件的购买价格。使用AD9875 / 6的集成4x PLL时钟倍频器和系统时钟输出可进一步降低系统成本。它们允许使用廉价的低频晶振实现整个系统时钟。

AD9875 / AD9876主要特性，规格和性能

低成本3.3V-用于宽带网络/调制解调器的CMOS混合信号前端转换器

10/12位128-MSPS TxDAC + ® D / A转换器

64 - / 32-MSPS输入字速率

2x / 4x可编程发送路径插值LPF或BPF

灵活省电模式

10- / 12-bit ，50-MSPS ADC

4 th 阶低通滤波器12-或26 MHz，旁路

-6-dB至36-dB可编程-gain amplifier

内部4倍时钟乘法器（PLL）时钟输出

电压调节器控制器

48导联LQFP封装

< p> AD9875 / AD9876的性能在-40°至+ 85°C扩展工业温度范围内进行了表征。

以下两个图表显示了这些部件的多音应用中的发送路径性能，并说明他们的e xceptional线性。图6显示了AD9876的互调失真;在指定的条件下，它小于-80 dB。图7显示了发射路径的多音功率比：在4.5至20.7 MHz频率范围内发射70个音调时约为55 dB，与HomePlug频段相对应。

AD9876 12位ADC的性能满足双频段VDSL的要求，并已针对该应用和电力线接入调制解调器的系统解决方案而设计。图8是5-MHz正弦输入的THD与ADC采样率的函数关系图。

MxFE设备的Rx LPF有两个频率设置，一个具有中心频率约为10.8 MHz，另一个约为26 MHz。滤波器传递函数类似于四阶巴特沃斯函数。滤波器具有自调节功能，可校正器件元件各部件之间的变化以及温度漂移。如果需要不同的截止频率，则可以在20％的范围内调节中心频率。图9显示了选择较低截止频率的LPF性能。

AD9875 / 6 评估板（图10）及其软件，允许用户轻松编程并快速评估特定调制解调器应用程序的设备。评估板提供对设备数字发送和接收端口的连接器访问，这些端口经过缓冲以实现可靠的数据传输。片上配置寄存器可以通过使用PC串口进行编程，该串口直接连接到评估板上的连接器; PC驻留评估板软件提供了一种配置MxFE操作的简单方法。

DAC的模拟输出和ADC电路的模拟输入可通过评估板上的SMA连接器或引脚头访问。跳线可编程接口配置允许多种不同的电路选项，以适应不同的测试方法。板载数字环回功能允许使用信号源和频谱分析仪同时测试ADC和DAC。另外还有子卡，它可以为MxFE设备提供电话线兼容接口。

AD9875-EB软件提供图形用户界面，便于编程和查询AD9875寄存器。有三个编程窗口可供选择。 direct-register-access 窗口允许AD9875以十进制，二进制或十六进制数据格式进行写入和回读。 寄存器映射窗口提供AD9875寄存器的简单，面向功能的编程。该窗口以图形方式显示屏幕上的所有MxFE ™功能。 高级寄存器访问窗口允许编程寄存器访问序列。

可用性

AD9875和AD9876已发布到生产中它们采用经济，节省空间的48引脚LQFP，价格分别为9.24美元和14.45美元（1000s）。 AD9875的批量价格低于5.00美元（AD9876 <$ 7.00）。

附录

ADI公司MxFE系列的这些成员，AD9875 / 6支持智能分区，这是一种混合信号设计技术，可沿优化线分割信号路径系统性能，而不是模拟/数字边界。这种方法补充了数字PHY（物理层）和MAC（媒体访问控制器），它由数十万到超过一百万个门构成，采用最先进的0.18毫米或更精细几何CMOS工艺制造，以充分利用这些流程提供的速度，功率和成本优势的优势。同时，AD9875 / 6的核心是高性能数据转换器内核，采用成熟且经济高效的0.35 mm CMOS工艺制造。这些内核增加了模拟和数字信号处理电路，为两个世界提供必要的接口，从而降低了系统板上电路的复杂性和成本，同时降低了灵活性。这种混合信号和数字功能的组合通过减少组件数量和占用空间而不影响性能来提供整体系统优势。

除了性能和成本优势之外，“智能分区”为分工提供了合理的位置。开发完整的物理层解决方案。其核心竞争力在于通信系统和算法开发的公司可以专注于数字设计的这些方面，并利用其差异化技术。通过与ADI公司的领导者合作，他们可以放心，他们的模拟和混合信号组合解决方案处于最先进的状态。