用于宽带数字机顶盒混合信号中的AD9873芯片介绍

电视电缆的广泛部署已导致广泛的研究，以提供更好的质量和更多种类的电视节目和电缆调制解调器功能。这项工作促成了几家知名供应商开发的数字机顶盒，包括Scientific Atlanta和Motorola（General Instrument）。数字机顶盒不使用模拟残留边带调制（VSB）信道，而是使用正交幅度调制（QAM）接收电视节目并与前端电台交换信息。以数字比特传输模拟信息不仅更稳健，而且更有效地利用可用带宽。图1显示了连接到前端和住宅（或办公室）内各种设备的数字机顶盒。

可以通过这种方式统一多种服务，包括Internet访问，有线电视，甚至电话服务。高数据速率允许流式输入MPEG电影以及高质量的电话（语音包）服务。

数字机顶盒，如图2所示，包括几个主要的子系统实现电视调谐器，基带收发器，通道3/4调制器（与模拟电视机兼容），MPEG和NTSC解码器和编码器，物理层（PHY）和电缆媒体访问控制（MAC）等功能调制解调器。由于互联网接入意味着上游信道，因此包括电缆驱动器;它可以使用AD832x系列的一个成员实现。该框还可以包含带外（OOB）控制通道和电话线接口。

所有这些模块的多样性和复杂性给元件和电路板级别的设计人员带来了重大挑战。所需的大量数字处理与高清数字电视的高质量接收要求相结合，给数字机顶盒架构师带来了诸多挑战。此外，与模拟电视的兼容性要求从墙壁电视电缆插座到电视机进行干净的模拟信号处理。因此，为集成功能选择合适的分区成为以低成本在电缆调制解调器中组合高质量电视接收和高数据速率的关键要求。

混合信号前端，可以使用AD9873实现，是机顶盒的核心（图2）。

混合信号前端

混合信号前端的定义 - 机顶盒的末尾必须考虑传输和接收数据路径所需的功能量。低成本至关重要，因此选择合适的技术是成功设计的关键。除此之外，上市时间对IC供应商和OEM同样重要。由于处理固有设计挑战所需的时间以及对客户反馈的频繁需求，包含重要数字和模拟内容的ASIC通常难以安排。 ADI公司AD9873的设计人员充分利用了他们在机顶盒技术方面的经验以及集成基本高性能模拟和混合信号所需的高性能拓扑模块核心设计库存在单个芯片上运行。

图3是用于机顶盒和电缆调制解调器的AD9873模拟前端转换器的框图。接收数据路径包含几个模数转换器（ADC），以适应前面描述的各种机顶盒功能。一对8位ADC用于转换来自解调OOB通道的正交输入。由于OOB数据在窄带信道中采用低复杂度调制（QPSK），因此它们的设计适用于低于16 MHz时的适度性能 - 优于7 有效位数（ENOB） （《1 MHz）。由于其在数字化电缆调制解调器数据中的主要作用，10位ADC需要更严格的规范。使用更高阶QAM调制来广播这种类型的数据，这需要更高的信噪比。因此，当在33 MSPS下采样高达10 MHz的输入信号时，转换器需要表现出优于9 ENOB。第四个ADC是一个12位转换器，采样频率为33 MHz，对于高达奈奎斯特速率的输入提供优于10.5 ENOB的数据，可以对高清电视信号进行数字化处理。对于复用到相同输入的单端视频信号，提供可编程黑电平钳位。所有这些转换器的输出都是多路复用的，以减少封装引脚的数量。

传输数据路径包含一个解复用接口，接收I / Q基带数据，通常采样频率约为13 MHz（最高16 MHz）。由于插值是降低DAC输出滤波器要求的强大工具（在AD9772和AD9856中成功使用），因此使用了三个插值滤波器。插值因子可编程为12或16，使数据速率最高可达230 MHz。整个内插器频率响应由两个半带滤波器和一个级联积分梳状滤波器（CIC）确定。在内插器之后，使用直接数字合成（DDS）实现正交调制器，以生成正弦和余弦波形。在馈入DAC之前，信号可以针对sin（x）/ x滚降进行补偿，这是由D / A转换过程产生的。该操作是可选的，因为滚降仅在合成载波频率范围的末端变得明显。 DDS可以产生低杂散内容的复合载波，其频率最高可达采样速率的三分之一，即高达70 MHz。

ADC直接由低频晶振提供时钟;其频率由板载可编程锁相环（PLL）加速，以提供DAC所需的高速时钟。这种方法在对ADC进行采样时减少了不希望的时钟抖动，并消除了片外高频振荡器的问题和费用。可编程PLL还为机顶盒内的其他模块提供系统时钟。辅助数字Σ-Δ输出有助于自动增益控制或定时恢复功能。许多器件参数可通过3引脚或4引脚串行接口进行编程。

为了与AD832x电缆驱动器系列的成员无缝连接，包含一个单独的3线接口，并且几个配置文件寄存器（可通过串行接口加载）旨在加速传输的变化获得数据和载波频率。这可以通过使用专用外部引脚来实现，该引脚寻址特定的配置文件寄存器组。图4显示了AD9873如何用于完整的数字机顶盒应用。

宽带调制解调器的设计人员需要结合小外形尺寸，高性能水平和低成本。由于箱内热量管理的成本和面积影响，它们无法在发射或接收路径中消耗功率瓦特。为了构建满足宽带调制解调器设计中的这些要求的大规模数字集成电路，需要现有技术的低压光刻。但它们不适用于高性能模拟和混合信号电路。像AD9873这样的产品提供了使用两个小型高度集成芯片的可能性 - 数字ASIC和混合信号“其他所有” - 这使得大规模数字IC与高性能混合信号适当分配图5展示了这种方法如何引领宽带通信应用的趋势，使其远离单芯片解决方案，而单芯片解决方案未能成功地将大规模数字处理与高性能混合信号设备集成。新兴的宽带调制解调器需要更强大的数字处理（》 MIPS）和更高性能的混合信号（》动态范围和带宽）设备。这些应用中使用的大规模集成数字器件需要最先进的（精细几何），低电压CMOS工艺，而混合信号器件则依赖于针对混合信号进行优化的高压CMOS工艺高性能。作为新系列宽带MxFE的首款器件，AD9873将允许设计人员利用“智能分区”。

这就是它的工作原理：深亚微米几何工艺不能轻易支持高性能D / A和A / D转换器所需的电压电平，并且数字噪声耦合到模拟信号链会损坏信号保真度。有时候尝试将所有内容放在单个芯片上会导致价格更高和/或性能更低的解决方案。尝试将高速和宽动态范围混合信号设备与超大规模数字处理相结合是一个很好的例子。它总是需要在数字领域（成本），功耗或混合信号性能方面做出妥协。 AD9873宽带混合信号前端以及随后的其他MxFE产品为设计人员提供了高集成度，低成本和低功耗的优势，同时又不影响性能。

AD9873采用这种优化的混合信号技术和“智能”分区，为各种调制格式提供出色的动态性能 - FSK，QPSK，16/32/64/256 QAM，OFDM，扩频等。数字ASIC，包括调制编码可以在最具成本效益和最精细的几何上实现。通过这种经济高效的方法，系统设计人员可以在自己的数字ASIC中保留更多“增值”，充分利用他们的系统专业知识，专有算法和知识产权。 AD9873的混合信号分区解决了将VLSI数字ASIC中的混合信号电路集成到芯片外的成本和性能折衷问题。

AD9873混合信号前端的其他应用

除了有线机顶盒，AD9873还非常适合各种其他标准和专有宽带通信应用，如图6所示。以下是可以使用AD9873的其他应用列表：

电缆调制解调器

数字通信

数据和视频调制解调器

电力线调制解调器

卫星系统

PC多媒体

宽带无线通信

家庭网络

AD9873主要功能和性能

232MHz正交数字上变频器：

DC至70 MHz输出带宽

12位直接IF D / A转换器

直接数字合成

插值和Sin（x）/ x滤波器

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

双12位Σ-Δ控制DAC

带钳位电路的视频输入

AD8321 / 3的直接接口PGA电缆驱动器

可编程PLL时钟倍频器

3.3 V单电源供电

掉电模式

100引脚MQFP

AD9873的性能在商业温度范围内得到了表征;但它可以在-40°至+ 75°C的温度范围内安全使用。图7显示了具有10 MHz输入的12位ADC性能的频谱图。

图8显示了产生42 MHz 16-QAM信号的DAC的频谱图。图9显示了AD9873产生的64-QAM信号的星座图和眼图。

评估板和软件

AD9873评估板和软件允许用户轻松编程并快速评估AD9873的特定调制解调器应用。