作者：Joe DiPilato, Iuri Mehr, and Brian Harrington

寬帶調(diào)制解調(diào)器（主要基于電纜和DSL技術(shù)）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(lián)網(wǎng)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(shù)量也在增加。這些設(shè)施的現(xiàn)成可用性導致家庭網(wǎng)絡(luò)越來越受歡迎，用于共享工作、學術(shù)和娛樂的互聯(lián)網(wǎng)訪問和打印機資源。圖1顯示了連接到寬帶網(wǎng)關(guān)和住宅/辦公室內(nèi)各種設(shè)備的典型國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。

圖1.家庭網(wǎng)絡(luò)/寬帶接入配置。

已經(jīng)開發(fā)了各種技術(shù)來解決家用計算機和外圍設(shè)備之間的高速通信，并與集線器（或網(wǎng)關(guān)）接口以進行寬帶訪問。直到最近，以太網(wǎng)一直是在家庭內(nèi)提供網(wǎng)絡(luò)的最可行方法。以太網(wǎng)的吸引力在于基于成熟技術(shù)的廉價網(wǎng)絡(luò)接口卡的可用性。然而，以太網(wǎng)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(shè)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(wǎng)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(lián)盟的出現(xiàn)增加了無線家庭網(wǎng)絡(luò)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(xù)給無線家庭網(wǎng)絡(luò)帶來諸多挑戰(zhàn)，包括成本增加。

較新的首選有線技術(shù)是那些不需要“新電線”的技術(shù);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(wǎng)絡(luò)，同時以可承受的價格提供與以太網(wǎng)相當?shù)男阅?。在已安裝的基礎(chǔ)設(shè)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(zhì)量非常差，利用這種現(xiàn)有的家庭布線進行寬帶網(wǎng)絡(luò)是不可能的。然而，由于信號處理技術(shù)的進步、硅制造幾何尺寸持續(xù)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(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已成為現(xiàn)實。家庭電話網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（HPNA）標準為電話線網(wǎng)絡(luò)提供了框架，并允許高達10 Mbits/s的數(shù)據(jù)速率。和 HomePlug?標準描述了實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率與HPNA相當?shù)碾娏€網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的規(guī)范。

這些有線家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及DSL和電纜等高速接入技術(shù)需要傳輸介質(zhì)（電力線、電纜、雙絞線）與數(shù)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(wǎng)絡(luò)和寬帶接入應用而開發(fā)，這兩種應用都需要高數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)（HomePlug，HPNA）和高速數(shù)據(jù)訪問（VDSL，電力線）的調(diào)制解調(diào)器。它們專為大容量、成本敏感型消費類應用而開發(fā)，為系統(tǒng)解決方案提供商提供卓越的價值。

圖2描述了MxFE芯片所發(fā)揮的通用作用。一旦信號經(jīng)過適當接口，其接收 （Rx） 電路就會接受來自傳輸介質(zhì)的（模擬域）信號，并提供模擬信號調(diào)理和 A/D 轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生可由數(shù)字物理層 （PHY） 和/或媒體訪問控制器 （MAC） 處理的多路復用數(shù)字信號。它還接受來自這些實體的數(shù)字數(shù)據(jù)，對其進行處理并將其轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)，并將此傳輸 （Tx） 信號輸出到媒體接口。該器件設(shè)計基于優(yōu)化系統(tǒng)性能的目標，無論其I/O的模擬或數(shù)字性質(zhì)如何，正如ADI公司的“智能分區(qū)方法”（見附錄）所實現(xiàn)的那樣。

圖2.典型的有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

圖2表示一個典型的有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。MxFE功能可以通過混合變壓器模塊無源連接到電纜介質(zhì)，也可以主動連接到電纜介質(zhì)，接收側(cè)有放大器，發(fā)射側(cè)有驅(qū)動器。在數(shù)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(wǎng)絡(luò)和高速接入市場的MxFE電路設(shè)計人員來說，性能、上市時間和低成本至關(guān)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(shù)字和信號處理功能集成到單個芯片（如AD9875/AD9876）上，實現(xiàn)了成本、性能、尺寸和功耗的組合，使復雜的消費市場通信產(chǎn)品成為可能。事實上，通過在數(shù)字門陣列或ASIC中實施其知識產(chǎn)權(quán)和設(shè)計專業(yè)知識，結(jié)合這些器件，設(shè)計工程師可以比以往更快地開發(fā)新產(chǎn)品和原型，以利用快速變化的市場。

圖3所示為用于寬帶調(diào)制解調(diào)器的混合信號前端轉(zhuǎn)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(shù)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(xiàn)的集成度和性能水平。該ADC采用流水線多級架構(gòu)，在低功耗的同時實現(xiàn)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(shù)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(shù)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(zhuǎn)換器的端口都多路復用為高字節(jié)和低字節(jié)，以減少封裝引腳的數(shù)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(shù)字ASIC，該ASIC支持多路復用發(fā)送和接收數(shù)據(jù)端口。

圖3.AD9875/6原理框圖

低成本、靈活、高性能、現(xiàn)成的混合信號前端（如這些）的可用性，以及使用各種調(diào)制格式（包括 OFDM）的寬帶調(diào)制解調(diào)器設(shè)計優(yōu)化功能，簡化了供應商和 OEM 的 ASIC 設(shè)計、規(guī)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(wǎng)絡(luò)以及某些xDSL應用。

寬帶有線調(diào)制解調(diào)器

寬帶調(diào)制解調(diào)器中常見的具有高峰均比的寬帶信號（無論采用何種調(diào)制方案）對系統(tǒng)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(diào)制解調(diào)器的詳細信息。并非每個調(diào)制解調(diào)器都需要顯示的每個模塊，盡管它們中的大多數(shù)確實采用相同或相似的功能，而其他調(diào)制解調(diào)器甚至可能需要額外的功能塊，如額外的模擬濾波。有線調(diào)制解調(diào)器的塊級組件可分為三個主要功能;發(fā)送路徑、線路耦合器或混合路徑以及接收路徑。大多數(shù)發(fā)射和接收模塊由AD9875/AD9876元件直接尋址。

發(fā)射路徑的主要功能是以足夠的保真度將信號發(fā)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(fā)射器還必須在符合頻譜模板的同時執(zhí)行此操作，以確保調(diào)制解調(diào)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(fā)射路徑組件的設(shè)計和性能要求。最受關(guān)注的兩個轉(zhuǎn)換器參數(shù)是位數(shù)和采樣率。

對于DAC，所需的位數(shù)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(zhuǎn)換器。通常，最苛刻的DAC性能參數(shù)是其無雜散動態(tài)范圍（SFDR）。非理想DAC傳遞函數(shù)產(chǎn)生的雜散可能出現(xiàn)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(qū)動器將能夠提供發(fā)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(qū)動器或AD8xxx DSL驅(qū)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(diào)制解調(diào)器的模擬前端耦合到線路的方法取決于調(diào)制/解調(diào)（調(diào)制解調(diào)器）的類型是時域雙工（TDD）還是頻域雙工（FDD ）。TDD調(diào)制解調(diào)器通常采用簡單的變壓器耦合到線路，以及將發(fā)射器或接收器連接到變壓器的開關(guān)。主要問題是連接時的開關(guān)和建立時間是否滿足系統(tǒng)要求。FDD調(diào)制解調(diào)器通常采用混合模式將調(diào)制解調(diào)器的模擬前端連接到線路。需要混合信號，因為調(diào)制解調(diào)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(shù)量級。為了限制從發(fā)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(nèi)保持輸入信號SNR的有效性將是調(diào)制解調(diào)器原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量進行了基本限制。線路接口和數(shù)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(xiàn)噪聲，并由接收器的質(zhì)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(shù)字化以進行進一步的數(shù)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(xiàn)有的本底噪聲。其次，如果噪聲和干擾比所需信號大幾個數(shù)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(guān)重要。為了優(yōu)化噪聲和失真性能，片內(nèi)實現(xiàn)了可變增益放大器。該功能由一個連續(xù)時間可編程增益級（圖3中的CPGA）和一個離散時間開關(guān)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(shù)字化處理。

片上還具有多種輔助功能。兩個鎖相環(huán) （PLL） 模塊、一個穩(wěn)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(shù)量并優(yōu)化性能。

電話線網(wǎng)絡(luò)

圖4和圖5a顯示了AD9875在電話線網(wǎng)絡(luò)應用中的應用，該應用能夠使用QAM調(diào)制實現(xiàn)高達32 Mbps的數(shù)據(jù)速率。混合信號和數(shù)字電路的分離使數(shù)字ASIC能夠在最具成本效益的幾何形狀上實現(xiàn)。由于調(diào)制編碼位于數(shù)字ASIC中，設(shè)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(shù)字接口。圖5.模擬接口。

電力線和 VDSL 調(diào)制解調(diào)器

AD9876為電源線或VDSL調(diào)制解調(diào)器提供最佳分區(qū)，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(jié)合4倍/12倍插值濾波器和9876位TxDAC D/A轉(zhuǎn)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(qū)動器，設(shè)計人員可以通過集成的單芯片解決方案將電源線或VDSL調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)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(shù)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(tǒng)時鐘輸出，可以進一步降低系統(tǒng)成本。它們允許使用廉價的低頻晶體實現(xiàn)整個系統(tǒng)時鐘。?

AD9875/AD9876 主要特性、規(guī)格和性能

用于寬帶網(wǎng)絡(luò)/調(diào)制解調(diào)器的低成本3.3V-CMOS混合信號前端轉(zhuǎn)換器

10/12 位 128 MSPS TxDAC+ 數(shù)模轉(zhuǎn)換器?

64/32 MSPS 輸入字速率

2x/4x 可編程發(fā)射路徑插值 LPF 或 BPF

靈活的關(guān)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(nèi)部 4x 時鐘乘法器 （PLL） 時鐘輸出

穩(wěn)壓控制器

48 引腳 LQFP 封裝

AD9875/AD9876的性能在–40°至+85°C擴展工業(yè)溫度范圍內(nèi)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(diào)失真;在指示的條件下，它小于 –80 dB。圖7顯示了發(fā)射路徑的多音功率比：在55.70至4.5 MHz頻率范圍內(nèi)傳輸20個音調(diào)時，約為7 dB，對應于HomePlug頻段。

圖6.AD9876的12位DAC的雙色調(diào)頻譜圖@f數(shù)據(jù)= 50 MSPS，

f外= 6.9 兆赫和 7.1 兆赫。

圖7.AD9876的12位DAC的“帶內(nèi)”多音頻譜圖@f數(shù)據(jù)= 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(shè)計用于該應用和電力線接入調(diào)制解調(diào)器的系統(tǒng)解決方案。圖8是5 MHz正弦輸入的THD與ADC采樣速率的函數(shù)關(guān)系圖。

圖8.AD9876 12位ADC THD性能與系數(shù)的關(guān)系模數(shù)轉(zhuǎn)換器O I在= 5 兆赫。

MxFE器件的Rx LPF有兩種頻率設(shè)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(shù)類似于四階巴特沃斯的濾波器傳遞函數(shù)。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(nèi)調(diào)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(diào)制解調(diào)器應用輕松編程和快速評估器件。該評估板提供對器件數(shù)字發(fā)送和接收端口的連接器訪問，這些端口經(jīng)過緩沖以實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)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(shù)字環(huán)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(shè)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(shù)據(jù)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(shè)置。

審核編輯：郭婷