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構建高性能ADSL前端電路

上網時間: 2002年07月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ADSL  front end  前端電路  line driver  線路驅動器 

ADSL系統中類比前端電路設計具有很大挑戰性,設計工程師必須處理發送通道的功耗和接收通道的噪音問題,因此在前端電路中除了實現信號發送還要進行信號濾波和放大等處理。本文作者將分別就發送通道、接收通道、高通濾波器以及混合耦合電路等部份闡述滿足前端電路性能的設計要點和方法。

在ADSL應用中,信號從數位部份到類比部份最後再到達電話線,為了滿足這種應用的性能要求必須設計可靠的類比前端電路。設計這種前端電路具有一定挑戰性,要求深入了解信號處理、ADSL系統的性能要求以及類比電路性能。

除發送信號外,前端電路對於收到的數據還能進行雙重處理,即從電話線捕捉信號,並對信號進行濾波,再將這些信號傳送至類比數位轉換器(ADC)。下面將分析ADSL前端電路設計中的核心問題,了解設計中所採用的混合電路以及前端電路性能同核心元件的發送和接收功能之間的聯繫。圖1顯示了ADSL晶片組的功能框圖,其中虛線標注的部份通常視為類比前端電路。

前端電路

前端電路的性能通常可以由數據率和有效範圍兩個參數確定,數據率表徵數據機的最高數據速率容量,而有效範圍則表徵能實現上述數據率的最大電話線長度。雖然ANSI T1.413(控制ADSL數據機主要設計指標的標準)設定了最低的性能指標,但激烈的市場競爭往往促使設備製造商和晶片供應商力爭使其開發出的產品性能更優越。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="圖1:ADSL晶片的結構圖,其中虛線標注的部份通常視為類比前端電路。">

ADSL終端設備已經進入了批量生產,其快速發展為前端電路設計工程師提出了更多的挑戰。當第一塊ADSL晶片開發出時,更多的是強調以此實現數據機功能(數據率和有效範圍),其次才是容量。在此期間,設計工程師還在尋求在電話局端(CO)實現更大的埠密度。實際上,隨著ADSL需求的成長,電訊公司希望能得到兩倍甚至三倍的電路密度。目前,局端中的ADSL電路卡能容納32、64甚至72個電路通道。

這種需求在空間和功率兩個方面為前端電路設計提出了更高的要求。空間要求是顯而易見的,由於受底板的限制,電路卡的尺寸應當是固定的,因此較高的電路密度只有在每個通道的電路密度增加時才能實現。在未來的晶片中還將整合更多的功能以實現更高的電路密度。

在過去的幾年中,功耗得到了極大地降低,這在線路驅動器中尤為明顯。早期的CO線路驅動器驅動全速離散多音(DMT) ADSL信號的功耗約為2.5W,而現在隨著設計的改進和設計佈局結構的變化,相同的驅動器可以低於1W的功率完成相同的工作,但線路驅動器仍然是晶片組中最主要的功耗元件。

發送通道

發送(Tx)通道中類比前端電路的功能是對由數位類比轉換器(DAC)產生的類比信號進行放大和濾波,並將這些信號以適當的功率水平發送至電話線。從DAC輸出的信號通常將在某個信號通道中經歷一次放大過程,放大增益的設定將使DAC的滿標輸出為線路驅動器提供正確的輸出電壓,並將適當的功率水平傳送至電話線。圖2:配置線路驅動器的常規方法,採用反向終端器並為Tx的全速DMT信號提供適當的電壓。

ANSI標準藉由指定功率譜密度屏蔽,規定了發送信號的頻譜界限。Tx通道中的低通濾波器(LPF)要求除去在採樣頻率整數倍處由DAC產生的鏡像分量(image product)。雖然濾波器的精確階數取決於數位類比轉換器的採樣頻率,但3階柴比雪夫(Chebyshev)演算法是一種通用解決方案。濾波器的截止頻率點設定為1.1MHz以上,以使發送頻段中頻率最高的信號藉由,以實現對較高頻率信號的最大抑制。

高通濾波器(HPF)

在Tx通道中除了LPF外,ADSL頻分多路再使用(FDM)有時也需要高通濾波器,高通濾波器可在25至138kHz頻段內降低噪音。儘管Tx通道的信號不在該頻段內,但該通道仍帶有D/A的量化噪音。如果沒有高通濾波器,量化噪音將藉由Tx通道進入混合電路。

儘管混合電路可阻止Tx通道的信號進入接收(Rx)通道,但要得到良好的噪音性能,這樣的效果仍然不夠。因此Tx通道中必須添加高通濾波器以提高濾波性能,但高通濾波器的缺陷是必須對其截止頻率點進行精確控制。為了盡可能改進噪音抑制性能,截止頻率點必須設定為盡可能高的頻率,而且不會破壞Tx頻段的低頻部份。HPF的截止頻率要求必須使用精確被動元件,這意味著如果將濾波器整合至矽片中,將需要採用雷射技術進行修整。

多音功率比

線路驅動器的多音功率比(Multitone power ratio,MTPR)性能對ADSL的兩個頻域都至關重要。首先,Tx頻段的線性性能必須能夠防止Tx信號自身受到破壞。其次,Tx頻段的非線性特性不應在Rx頻段中產生嚴重的互調分量。圖3:應用於線路驅動器佈局中的主動終端器或綜合阻抗配置方法,藉由反饋提供線路匹配阻抗,而不像常規方法中使用大的電阻器。

為了測試MTPR,將多個載波組成的信號藉由驅動器。然後在這些位置檢驗頻譜,確定溢出點的數目(這些溢出產生的原因是由於在載波頻率存在條件下,產生互調失真的放大器存在著非線性特性)。由於ADSL DMT是多載波系統,該測試能準確預測在應用中線路驅動器的性能。

為了滿足ANSI規範中提供的電話線回程損耗要求,線路驅動器電路必須以適當的阻抗終結線路。在ADSL敏感的頻率上,線路的阻抗通常取100Ω。圖2顯示了配置線路驅動器電路的一種方法,這是一種常規配置方法,目前仍在許多系統中應用。

驅動器配置

前端電路在為Tx全速DMT信號提供所需電壓的同時,還提供了必要的反向線路終端器。匝數比為1:2的變壓器通常用來提高線路電壓,其結果得到4比1的阻抗變換。因此要求變壓器初級端的阻抗達到25Ω,以與100Ω的線路阻抗相匹配。在本例中,每個串聯電阻器(RS)的阻值為12.5Ω。

儘管傳統的線路驅動器配置方法提供了必要的驅動和阻抗匹配,串聯電阻器意味著驅動器本身必須提供兩倍於線路最大電壓的輸出,這也意味著電源電壓必須更高一些,因而功耗也將更大。

這類驅動器常規功耗的範圍為1.5至2.5W,具體大小取決於驅動器的效率及其它系統參數,如變壓器的匝數比和系統的峰值與平均值之比(PAR)。儘管該方法實現了性能的優化,但其功耗對於實現較高電路密度的設計仍是一大缺陷。

另一種用於線路驅動器的配置方法稱為主動終端器(active termination)或合成阻抗(synthesized impedance)。在該方法中,反饋可用來為線路匹配提供適當的阻抗,而無須使用常規方法中的那些大電阻器。這種方法藉由串聯匹配電阻器極大地降低了電壓,因而電源電壓和功耗都比較低。

主動終端器的一種實現方法參見圖3。在電路中,增益為10的反饋將得到一個阻抗值為常規串聯終端器10%的電阻器RS。主動終端器電路的功耗通常為1W或更低。

主動終端器的缺陷是輸入的接收信號降低的係數與其放大係數相同,因為信號將流過所有的串聯終結電阻器。在上述提供的反饋系數為10的示例中,當接收到的信號藉由電阻器時,該信號的值將為常規終端器情形下的10%。在設計接收通道時必須考慮這一問題。

接收通道

功耗對Tx通道至關重要,而Rx通道更關注噪音問題。經常會出現這樣的情形,數據機首先在上行的數據傳輸中失敗,這可能意味著CO的Rx通道達到了其性能極限(該極限通常是由噪音決定)。由於這部份是系統中的薄弱環節,在了解性能極限並使設計具備最大的噪音裕度過程中,必須採取必要的預防措施。

Rx通道的第一級通常是放大級,該級經常採用前置放大器實現。前置放大器必須具有低噪音特性,例如,如果線路上的噪音等級是-140dBm/Hz (31.6 nV/rt-Hz),而且使用的變壓器的匝數比為1:2,那麼Rx前置放大器的輸入參考噪音必須為該噪音級的一半。如果前置放大器的輸入線路噪音為16nV/rt-Hz,那麼設計工程師選擇的前置放大器必須使輸入噪音不會明顯降低該性能水平。另外,混合電路中電阻值的選取也很關鍵,太大的阻值將降低噪音性能,而太小的阻值則將影響線路的終端阻抗。

接收通道中前置放大器的另一核心條件是電壓一致性。為了保持不產生信號失真,Rx前置放大器在任何條件下都必須保持在線性工作區域以內。當Tx通道輸出滿功率時,可以估計出藉由混合電路的Tx信號量。

例如,如果Tx驅動器的輸出包含一個信號峰峰值為20V的信號,而且混合電路提供常規的20dB的抑制能力,那麼出現在前置放大器輸入的Tx信號將為2Vp-p。如果前置放大器的增益為2,那麼前置放大器輸出部份將出現4Vp-p信號,該信號將添加至任何存在Rx信號的地方。

在較短的線路或者混合電路抑制能力較低的情形下,前置放大器的輸出可逼近限幅電平。Tx信號藉由低通濾波級後(通常位於前置放大器之後)將被去除,只有藉由增益放大的Rx信號才能滿足D/A要求的輸入電壓範圍。圖4:混合式耦合器分離了Rx和Tx信號,可使數據機實現全雙工作業。

這?需要注意,由於存在Tx回波問題,只有一些必要的Rx通道增益可以在Rx通道低通濾波器之前應用。用較大的電源(如+15V電源)驅動前置放大器和低通濾波器將使該問題迎刃而解,但利用3.3V很難解決回波問題。

Rx通道低通濾波器的用途是除去藉由混合電路的Tx通道信號。這些多餘的信號將在Rx通道中產生電壓一致性問題,因此需要採用較大的增益來除去這些信號,並優化A/D輸入。為此,通常可以在ADC之前使用可程式增益放大器,而增益範圍需要利用線路長度變化時接收信號的幅度來調節。

混合式耦合器

混合式耦合器藉由使Tx和Rx信號分離,可使數據機實現全雙工作業。圖4顯示了一個只帶單端連接的簡化混合電路。Tx通道信號由線路驅動器藉由該混合電路進入電話線。藉由電話線進入的Rx信號藉由該混合電路進入Rx通道,但試圖進入Rx通道的Tx信號將被混合電路抑制。在圖4中只需適當地選取Zref,即可使混合電路形成橋接電路,從而抑制掉進入Rx通道的Tx信號。

實際上,由於難以使電話線的复阻抗與Zref精確匹配,在Rx通道屏蔽中只能抑制6到20dB的Tx信號。由於從空間和成本上考慮,通常需要在Zref和抑制Tx信號的能力之間進行折衷。

在設計中,使ADSL數據機具有最低功率且尺寸最小無疑最為關鍵。功耗由CO線路驅動器支配,而CO線路驅動器在過去的數年中得到了極大的改進,而且未來將取得更多新的發展。另外,更高的電路密度需求使得每個元件都變得更為關鍵。最理想的設計是以最優的成本實現較低功率、最小元件和最高性能的完美結合。

作者:

Jim Quarfoot


資深技術工程師


Email: quarfoot@ti.com


德州儀器公司





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