多功能混合信号前端加快有线宽带调制解调器和家庭网络的定制设计

作者：Joe DiPilato, Iuri Mehr, and Brian Harrington

宽带调制解调器（主要基于电缆和DSL技术）的广泛增长使宽带通信可用于世界各地的住宅家庭，用于互联网接入，互动游戏和远程办公等应用。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导致家庭网络越来越受欢迎，用于共享工作、学术和娱乐的互联网访问和打印机资源。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国内网络。

图1.家庭网络/宽带接入配置。

已经开发了各种技术来解决家用计算机和外围设备之间的高速通信，并与集线器（或网关）接口以进行宽带访问。直到最近，以太网一直是在家庭内提供网络的最可行方法。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，以太网有一个主要缺点——要求在整个家庭中布线 5 类 （CAT5） 电缆。这几乎总是意味着房主必须铺设新电线——这是一个繁琐且可能昂贵的解决方案。

无线 LAN 提供了一种不需要安装新电线的以太网替代方案。尽管无线解决方案很方便，但由于成本较高、潜在的不安全性、多种竞争标准、缺乏互操作性以及干扰/鲁棒性问题，它取得了有限的成功。IEEE 802.11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。然而，频谱的稀缺性和无处不在的强效干扰源（如微波炉、车库开门器等）将继续给无线家庭网络带来诸多挑战，包括成本增加。

较新的首选有线技术是那些不需要“新电线”的技术;它们通过避免安装新电缆的负担，为房主提供了一种潜在的更好的方式来建立家庭网络，同时以可承受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线或电力线布线。直到最近，由于信道质量非常差，利用这种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、硅制造几何尺寸持续减少带来的成本降低以及高速混合信号电路性能的提高，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。和 HomePlug™标准描述了实现数据速率与HPNA相当的电力线网络系统的规范。

这些有线家庭网络技术以及DSL和电缆等高速接入技术需要传输介质（电力线、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。

本文将讨论最近推出的AD9875和AD9876 MxFE器件专门针对宽带家庭网络和宽带接入应用而开发，这两种应用都需要高数据速率或高达25 MHz的信号带宽，并且在功能、性能和成本方面提出了类似的要求。鉴于其灵活性，这些器件可用于家庭网络（HomePlug，HPNA）和高速数据访问（VDSL，电力线）的调制解调器。它们专为大容量、成本敏感型消费类应用而开发，为系统解决方案提供商提供卓越的价值。

图2描述了MxFE芯片所发挥的通用作用。一旦信号经过适当接口，其接收 （Rx） 电路就会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，以产生可由数字物理层 （PHY） 和/或媒体访问控制器 （MAC） 处理的多路复用数字信号。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。该器件设计基于优化系统性能的目标，无论其I/O的模拟或数字性质如何，正如ADI公司的“智能分区方法”（见附录）所实现的那样。

图2.典型的有线网络节点。

图2表示一个典型的有线网络节点。MxFE功能可以通过混合变压器模块无源连接到电缆介质，也可以主动连接到电缆介质，接收侧有放大器，发射侧有驱动器。在数字端，MxFE 器件需要与驻留在单独芯片上的 PHY 和 MAC 接口。

对于家庭网络和高速接入市场的MxFE电路设计人员来说，性能、上市时间和低成本至关重要的因素。在这种类型的新兴宽带通信应用中，分立式模拟元件可能非常昂贵、耗电且对电路板空间要求很高。通过将困难的混合信号、模拟、数字和信号处理功能集成到单个芯片（如AD9875/AD9876）上，实现了成本、性能、尺寸和功耗的组合，使复杂的消费市场通信产品成为可能。事实上，通过在数字门阵列或ASIC中实施其知识产权和设计专业知识，结合这些器件，设计工程师可以比以往更快地开发新产品和原型，以利用快速变化的市场。

图3所示为用于宽带调制解调器的混合信号前端转换器AD9875/AD9876的框图。在模拟方面，AD9875和AD9876集成了ADC、DAC、时钟生成、可编程增益放大以及模拟和数字滤波电路，以提供通常采用成本更高的分立解决方案实现的集成度和性能水平。该ADC采用流水线多级架构，在低功耗的同时实现高采样速率。在AD9875中，接收路径在9 MSPS时提供5.32 ENOB，在8 MSPS时提供6.50 ENOB。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。

在数字端，DAC输入和ADC输出位于单独的端口上，以适应全双工和半双工操作。每个转换器的端口都多路复用为高字节和低字节，以减少封装引脚的数量。[10年夏季上市的9875位半双工器件AD2002-HD将无缝连接到目前可用的符合HomePlug标准的物理层数字ASIC，该ASIC支持多路复用发送和接收数据端口。

图3.AD9875/6原理框图

低成本、灵活、高性能、现成的混合信号前端（如这些）的可用性，以及使用各种调制格式（包括 OFDM）的宽带调制解调器设计优化功能，简化了供应商和 OEM 的 ASIC 设计、规格和测试流程，并可大幅缩短上市时间。AD9875/AD9876的独特特性使这些器件非常适合电话和电力线网络以及某些xDSL应用。

宽带有线调制解调器

宽带调制解调器中常见的具有高峰均比的宽带信号（无论采用何种调制方案）对系统的模拟和混合信号处理组件提出了很高的要求。图2和图9875中的AD9876/AD3框图共同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的每个模块，尽管它们中的大多数确实采用相同或相似的功能，而其他调制解调器甚至可能需要额外的功能块，如额外的模拟滤波。有线调制解调器的块级组件可分为三个主要功能;发送路径、线路耦合器或混合路径以及接收路径。大多数发射和接收模块由AD9875/AD9876元件直接寻址。

发射路径的主要功能是以足够的保真度将信号发送到线路上，以足够高的信噪比（SNR）到达导线的远端，从而允许在接收器端进行忠实的解码。通常，发射器还必须在符合频谱模板的同时执行此操作，以确保调制解调器不会在其通道带宽之外造成过多的噪声。满足功率谱密度（PSD）模板的要求通常会推动发射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，所需的位数将取决于所需的SNR、信号的峰均比（PAR）以及信号带宽与采样速率的比值。对于给定的SNR要求，随着信号带宽和PAR的增加，需要更高精度的转换器。通常，最苛刻的DAC性能参数是其无杂散动态范围（SFDR）。非理想DAC传递函数产生的杂散可能出现在频谱中的任何位置。如果杂散的幅度很高并且落在信号频段附近，则可能无法充分滤波。DAC的SFDR性能必须能够满足系统线性度要求。

AD9875/AD9876集成10位/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镜像频率远离目标信号的频率，可能会导致外部模拟滤波器要求大大简化，从而降低复杂性和成本。理想情况下，驱动器将能够提供发射路径增益并提供所需的输出功率，同时保持DAC线性度性能。在DAC的可用峰值输出功率不足的情况下，AD832x电缆驱动器或AD8xxx DSL驱动器可以提供导线接口。为了提供具有低失真的高峰值输出信号，放大器的输出级需要高电压轨和高偏置电流，这与低功耗和CMOS集成的需求相冲突。

调制解调器的模拟前端耦合到线路的方法取决于调制/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简单的变压器耦合到线路，以及将发射器或接收器连接到变压器的开关。主要问题是连接时的开关和建立时间是否满足系统要求。FDD调制解调器通常采用混合模式将调制解调器的模拟前端连接到线路。需要混合信号，因为调制解调器可以传输大信号，而接收器正在侦听衰减很大的信号，这些信号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，使用了某种类型的线路匹配、消除电路和滤波。AD9875/AD9876集成了一个具有可变截止频率的低通模拟接收滤波器（图3中的LPF），可满足各种信号带宽要求。

接收器在接收通道带宽内保持输入信号SNR的有效性将是调制解调器原始数据速率的最重要决定因素。接收信号在信号带宽上的信噪比，由信道确定;对通道将承载的数据量进行了基本限制。线路接口和数字输出样本之间的电路中超出此范围的任何性能下降都被视为实现噪声，并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以两种方式降低接收器SNR。首先，通过采样过程，可以将存在的噪声折回目标信号频带，从而提高现有的本底噪声。其次，如果噪声和干扰比所需信号大几个数量级，这将降低可用于补偿信号衰减的增益，从而再次导致SNR降低。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，片内实现了可变增益放大器。该功能由一个连续时间可编程增益级（图3中的CPGA）和一个离散时间开关可编程增益级（SPGA）共享，夹在LPF之间。在SVGA之后，12/10位ADC以高达50 MHz的采样率对信号进行数字化处理。

片上还具有多种辅助功能。两个锁相环 （PLL） 模块、一个稳压器控制电路和一个串行端口接口有助于减少外部组件数量并优化性能。

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，该应用能够使用QAM调制实现高达32 Mbps的数据速率。混合信号和数字电路的分离使数字ASIC能够在最具成本效益的几何形状上实现。由于调制编码位于数字ASIC中，设计人员可以最大限度地提高其“附加值”，同时最大限度地缩短上市时间。

图4.混合信号和（a）（b）（c）

数字接口。图5.模拟接口。

电力线和 VDSL 调制解调器

AD9876为电源线或VDSL调制解调器提供最佳分区，如图4、5b和5c所示。AD12集成可编程增益放大器、低通滤波器和2位ADC，结合4倍/12倍插值滤波器和9876位TxDAC D/A转换器，采用48引脚LQFP封装，几乎可以满足信号链的整个模拟部分。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。与此类应用中集成度较低的其他解决方案相比，组件数量可减少多达 50%;并且总物料清单可以减少超过所包含的集成 MxFE 组件的购买价格。利用AD9875/6的集成4倍PLL时钟乘法器和系统时钟输出，可以进一步降低系统成本。它们允许使用廉价的低频晶体实现整个系统时钟。®

AD9875/AD9876 主要特性、规格和性能

用于宽带网络/调制解调器的低成本3.3V-CMOS混合信号前端转换器

10/12 位 128 MSPS TxDAC+ 数模转换器®

64/32 MSPS 输入字速率

2x/4x 可编程发射路径插值 LPF 或 BPF

灵活的关断模式

10/12 位、50 MSPS ADC

4千- 订购低通滤波器 12 或 26 MHz，带旁路

–6dB至36dB可编程增益放大器

内部 4x 时钟乘法器 （PLL） 时钟输出

稳压控制器

48 引脚 LQFP 封装

AD9875/AD9876的性能在–40°至+85°C扩展工业温度范围内得到表征。

以下两张图显示了这些器件在多音应用中的传输路径性能，并说明了它们出色的线性度。图6显示了AD9876的互调失真;在指示的条件下，它小于 –80 dB。图7显示了发射路径的多音功率比：在55.70至4.5 MHz频率范围内传输20个音调时，约为7 dB，对应于HomePlug频段。

图6.AD9876的12位DAC的双色调频谱图@f数据= 50 MSPS，

f外= 6.9 兆赫和 7.1 兆赫。

图7.AD9876的12位DAC的“带内”多音频谱图@f数据= 50 MSPS，

f外= k x 195 kHz， 2 x LPF。

AD9876 12位ADC的性能符合双频段VDSL的要求，并已设计用于该应用和电力线接入调制解调器的系统解决方案。图8是5 MHz正弦输入的THD与ADC采样速率的函数关系图。

图8.AD9876 12位ADC THD性能与系数的关系模数转换器O I在= 5 兆赫。

MxFE器件的Rx LPF有两种频率设置，一种中心频率约为10.8 MHz，另一种频率约为26 MHz。滤波器传递函数类似于四阶巴特沃斯的滤波器传递函数。滤波器具有自整定功能，可校正器件元件在不同部件之间的差异以及温度漂移。如果需要不同的截止频率，可以在20%的范围内调整中心频率。图9显示了选择较低截止频率时的LPF性能。

图9.AD9876 接收 LPF 频率响应，低 fC.

AD9875/6评估板（图10）及其软件允许用户针对特定调制解调器应用轻松编程和快速评估器件。该评估板提供对器件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。片上配置寄存器可通过PC串行端口进行编程，该串行端口直接连接到评估板上的连接器;驻留 PC 的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连接器或引脚接头访问。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。还提供子卡，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，便于对AD9875寄存器进行编程和查询。提供三个编程窗口。直接寄存器访问窗口允许AD9875以十进制、二进制或十六进制数据格式进行读写和回读。寄存器映射窗口为AD9875寄存器提供简单的、面向功能的编程。此窗口以图形方式显示所有 MxFE™屏幕上的功能。高级寄存器访问窗口允许对寄存器访问序列进行编程。

图 10.AD9875/6评估设置。

审核编辑：郭婷