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DSL 技術(shù)在過(guò)去十年間獲得長(zhǎng)足發(fā)展,ADSL、ADSL2+、VDSL 及 VDSL2 等多種新的技術(shù)在視頻、語(yǔ)音及數(shù)據(jù)應(yīng)用中的表現(xiàn)遠(yuǎn)勝于現(xiàn)有電話銅線技術(shù)。

新型 DSL 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)極大提高了數(shù)據(jù)吞吐能力,可滿足多路高清電視(HDTV)信號(hào)傳輸?shù)汝P(guān)鍵需求,而投資比光纖入戶的成本低很多,因此許多電信公司已經(jīng)開(kāi)始或者正在考慮利用其中一種 DSL 技術(shù)提供三重播放業(yè)務(wù)。而這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施也向芯片設(shè)計(jì)師提出了更高要求。

1999 年 6 月,國(guó)際電聯(lián)電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)(ITU-T) 制定了 ADSL 標(biāo)準(zhǔn),銅線寬帶業(yè)務(wù)開(kāi)始在全球大眾市場(chǎng)部署,到 2000 年其用戶已達(dá) 500 萬(wàn)。ITU-T 為 ADSL 標(biāo)準(zhǔn)選擇了離散多音頻(DMT,也稱正交頻分多址接入,即OFDM)線路編碼。DMT可將頻譜分為多個(gè)相同帶寬的子通道,通過(guò)正交幅度調(diào)制(QAM),每個(gè)子通道最多可調(diào)制 15 位信息。DMT的子載波互為正交,以防止載波間干擾。ADSL 使用頻分多路復(fù)用(FDM)技術(shù)隔離上下行傳輸頻帶,使兩部分頻譜分別用于傳輸與接收。

提供語(yǔ)音及視頻服務(wù)

  在推出ADSL服務(wù)的同時(shí),運(yùn)營(yíng)商也在考慮如何利用現(xiàn)有銅線技術(shù)提供語(yǔ)音及視頻服務(wù)。于是ADSL2+標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)應(yīng)而生,該標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)速率、覆蓋范圍、速率自適應(yīng)以及診斷等方面均比ADSL有很大的提高。ADSL2+的下行頻率最高達(dá)2.2MHz(ADSL僅為1.1 MHz),在較短環(huán)路中下行速率超過(guò)25 Mbps;并通過(guò)擴(kuò)展低端頻譜使上行數(shù)據(jù)速率達(dá)到1 Mbps 左右。ADSL每幀采用固定的 32kbps 的數(shù)據(jù)速率開(kāi)銷,而ADSL2+可降至4kbps,從而使有效負(fù)載數(shù)據(jù)傳輸速率提高了28kbps。ADSL2+ 通過(guò)增大交錯(cuò)深度(interleaver depth)及提供更靈活的組幀參數(shù)(每 DMT 符號(hào)的編碼字?jǐn)?shù))降低開(kāi)銷并提高了編碼增益,因此增強(qiáng)了里德-所羅門(mén) (Reed-Solomon) 誤差校正編碼方法的效率。初始化狀態(tài)機(jī)的改進(jìn)使數(shù)據(jù)傳輸速率得到有效提升,電信運(yùn)營(yíng)商也可借此修正上下行頻帶。

  據(jù) DSL 論壇統(tǒng)計(jì),截至 2005 年 3 月全球 DSL 用戶數(shù)量已達(dá) 1.07 億,占寬帶用戶總數(shù) 60%。其中大部分采用ADSL 技術(shù),ADSL2+也逐漸得到推廣;但對(duì)在提供語(yǔ)音及數(shù)據(jù)服務(wù)的同時(shí)采用多通道傳輸 HDTV 或普通 TV 信號(hào)的需求則是推動(dòng)VDSL 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的動(dòng)力。

  VDSL于2003 年獲批作為短環(huán)路應(yīng)用解決方案,此前這種應(yīng)用通常使用光纖技術(shù)為小區(qū)提供遠(yuǎn)程數(shù)字用戶專線訪問(wèn)多路復(fù)用器 (DSLAM) 支持,需要將兩個(gè)現(xiàn)有本地環(huán)路聯(lián)在一起。VDSL 的上下行傳輸使用多個(gè)頻帶,為高速數(shù)據(jù)傳輸及上下行數(shù)據(jù)對(duì)稱提供了更大靈活性。

VDSL2 的問(wèn)世

  VDSL2 標(biāo)準(zhǔn)的研究于 2004 年起步,其目的是充分發(fā)揮雙絞銅線 (copper pair) 潛力,以提供三重播放寬帶業(yè)務(wù)。與 ADSL2+一樣,VDSL2 也采用 DMT 作為線路編碼,從而與 ADSL2+具有良好的向后兼容性;此外,其還與現(xiàn)有 ADSL2+的頻譜相兼容。

  VDSL2 具有豐富的配置選項(xiàng)及頻帶方案,能夠滿足服務(wù)供應(yīng)商各種需要。該標(biāo)準(zhǔn)最多可使用 4096 個(gè)相互間隔 4kHz或 8kHz的 DMT 子載波來(lái)傳輸上下行數(shù)據(jù);同時(shí)還提供了8.5 MHz、12 MHz、17.7 MHz 及 最高30 MHz 等多種頻譜配置(VDSL1 僅為 12 MHz),所以在距離局端 1000 英尺的范圍內(nèi)可以為用戶提供高達(dá) 100 Mbps 的對(duì)稱數(shù)據(jù)速率。但當(dāng)距離超過(guò) 3500 英尺時(shí),上下行傳輸數(shù)據(jù)速率降至 ADSL2+ 的水平甚至更低。

  各大電信運(yùn)營(yíng)商采用了不同的戰(zhàn)略來(lái)提供三重播放業(yè)務(wù)。Verizon 及 NTT 等公司正在積極推進(jìn)光纖到戶(FTTH),這種方案避免了銅線帶來(lái)的各種問(wèn)題,但要為光纖鋪設(shè)投入大量資金。AT&T 已開(kāi)始啟動(dòng)U-verse 業(yè)務(wù),即將光纖鋪設(shè)到小區(qū),然后使用 25 Mbps 的 VDSL2 解決入戶問(wèn)題,支持兩個(gè)高清或標(biāo)清視頻信號(hào)的傳輸,該公司正在全力推進(jìn)此業(yè)務(wù)并計(jì)劃到 2006 年底擴(kuò)大到 15 個(gè)市場(chǎng)。而德國(guó)通信公司(Deutsche Telecom)開(kāi)始放慢部署 VDSL2,并告知該業(yè)務(wù)的普及比預(yù)期要慢。

XDSL 處理組件

  目前,大多數(shù)主力 xDSL 芯片制造商都在設(shè)計(jì)符合 ADSL2+ 及 VDSL2 等所有主要 DSL 標(biāo)準(zhǔn)的單芯片。由于 VDSL2 的數(shù)據(jù)傳輸速度比 ADSL2+ 高出很多,這無(wú)疑對(duì)芯片制造商提出了巨大挑戰(zhàn)。xDSL 芯片包含三個(gè)基本處理組件:模擬前端、數(shù)據(jù)泵和網(wǎng)絡(luò)處理模塊。

  模擬前端 (AFE) 包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、線路驅(qū)動(dòng)器(LD,作用為高功率放大器)及模擬濾波器,實(shí)際上是負(fù)責(zé)接收、預(yù)處理并隨后在 RX 通路中對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。在TX通路中,AFE將數(shù)字采樣轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并進(jìn)行后處理,然后使用LD將信號(hào)差動(dòng)耦合至雙絞線環(huán)路。

數(shù)據(jù)泵提取RX模擬信號(hào)的數(shù)字采樣,并使用各種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)使其盡量接近傳輸格式,隨后對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào),并對(duì)所提取的信息位進(jìn)行解碼。在TX通路中,數(shù)據(jù)泵將信息位進(jìn)行編碼,然后調(diào)制為DMT碼元,經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后將數(shù)字采樣傳輸?shù)?AFE。

  網(wǎng)絡(luò)處理模塊按照 DSL 數(shù)據(jù)鏈路及網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)碼元分組打包。

芯片設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)

  將上述三種模塊從 ADSL2+ 升級(jí)至雙 A/VDSL2會(huì)給芯片設(shè)計(jì)師帶來(lái)很多困難。

  VDSL2 AFE的設(shè)計(jì)(尤其是30 MHz VDSL2)十分困難,在所需的最大輸出功率及最大運(yùn)行頻率下很難達(dá)到LD失真及線性規(guī)范。同時(shí),17MHz或30MHz VDSL2模式下ADC/DAC的高采樣速率意味著采樣的動(dòng)態(tài)范圍及線性位數(shù)量可能影響AFE性能。一般情況下,由于環(huán)路長(zhǎng)度較短,VDSL2所需動(dòng)態(tài)范圍小于ADSL。另外,當(dāng)模擬RX及TX濾波器工作在較高頻率下尤其是當(dāng)濾波器集成在 AFE/LD 芯片中時(shí),寄生效應(yīng)更加明顯。另外將 ADSL 及 VDSL 變壓器電路集成到 LD 接口也很困難。

  由于 ADSL 及 VDSL2 均采用同種 DMT 調(diào)制架構(gòu),許多模塊可以支持這兩種模式。VDSL2 的數(shù)字信號(hào)處理量比 ADSL 大的多,原因是采樣傳輸?shù)綌?shù)據(jù)泵的速率大幅度增長(zhǎng)。但從數(shù)學(xué)角度而言,用于防止通道損壞、消除回聲及幀/定時(shí)同步等信號(hào)處理算法要比 ADSL 簡(jiǎn)單許多。

  網(wǎng)絡(luò)處理器相當(dāng)于多功能路由,通常包括 ARM 或 MIPS 內(nèi)核等可編程平臺(tái),同時(shí)還能用作 IP 及數(shù)據(jù)鏈路層之間的接口,和提供安全功能、專用協(xié)議以及其它所需的2、3 層功能。實(shí)現(xiàn)平臺(tái)靈活性的最大挑戰(zhàn)在于網(wǎng)絡(luò)處理器處理功率和內(nèi)存的緩慢增加。

  芯片廠商最近開(kāi)始推出支持各種 DSL 的單芯片方案,但也在觀望運(yùn)營(yíng)商的反應(yīng)以避免冒進(jìn)。其中一些方案支持所有寬帶的 VDSL2 模式(最高達(dá)30 MHz),另外一些則支持最高為 8.5MHz或 17.7MHz。如采用VDSL2 技術(shù),運(yùn)營(yíng)商需要為光纖鋪設(shè)及在小區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)程終端的安裝方面投入巨額資金。目前看來(lái),VDSL2將在 12個(gè)月~24個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)高銷量。

小區(qū)網(wǎng)關(guān)集成 XDSL 芯片

  在小區(qū)網(wǎng)關(guān)(RG)集成xDSL芯片則無(wú)需處理關(guān)鍵組件與其它設(shè)計(jì)間的接口問(wèn)題。目前,組件生產(chǎn)商開(kāi)始推出設(shè)計(jì)完整、文檔齊全、具有所需的所有接口的開(kāi)發(fā)板。由于簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)任務(wù),并且其建立的 DSL RG 可以滿足市場(chǎng)對(duì)視頻帶寬、服務(wù)質(zhì)量 (QoS)、脈沖噪聲保護(hù)(INP)等要求,該開(kāi)發(fā)板將有助于拓展 DSL RG 市場(chǎng)。

  要在整個(gè)家庭內(nèi)進(jìn)行廣播級(jí)視頻傳輸,RG 必須集多種有線與無(wú)線技術(shù)、安全特性和 QoS于一體,支持最新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),如現(xiàn)有的 802.11g 及新的 802.11n 標(biāo)準(zhǔn);此外還應(yīng)支持以太網(wǎng)、同軸電纜多媒體聯(lián)盟 (MOCA)、家庭插電聯(lián)盟(HPPA) 及通用電力線協(xié)會(huì) (Universal Powerline Association)等各種有線組網(wǎng)技術(shù)。

  半導(dǎo)體廠商正在對(duì)上述要求做出積極響應(yīng),努力提供高性能、高靈活度、實(shí)用性強(qiáng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)滿足服務(wù)供應(yīng)商的各種需要。典型功能集應(yīng)包括多處理器及各種本地局域網(wǎng) (LAN) 接口;多處理器專用于不同的業(yè)務(wù)可以確保向終端用戶提供較高的系統(tǒng)性能及良好的QoS。

  圖2為 TI 的 UR8 結(jié)構(gòu)圖。UR8 是一種集成 ADSL 及 VDSL2 寬帶連接的集成式 SoC(片上系統(tǒng)),其豐富的處理資源實(shí)現(xiàn)了具有差異化增值服務(wù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)品的靈活開(kāi)發(fā)。

  UR8的多媒體網(wǎng)關(guān)處理器及其互補(bǔ)內(nèi)存控制器負(fù)責(zé)控制及操作系統(tǒng)的運(yùn)行,并監(jiān)控 RG 的整體情況。寬帶DSP使用 ASDL 及 VDSL2 等協(xié)議將 RG 接入廣域網(wǎng)(WAN)。UR8中專門(mén)配備了負(fù)責(zé)VoIP 的第三方 DSP,以確保該架構(gòu)可支持高質(zhì)量、高可靠性的語(yǔ)音通信。

  UR8 VoIP 子系統(tǒng)架構(gòu)靈活,支持多個(gè)有線及無(wú)線 CODEC,在處理多達(dá)4個(gè)~8個(gè)電話時(shí)不會(huì)影響其它功能。統(tǒng)一的 DSL PHY 支持 VDSL2,從而能向家庭傳輸多路 HDTV 數(shù)據(jù)流,其同時(shí)也支持所有ADSL 模式(ADSL2+ )。

  DSL 技術(shù)的快速發(fā)展給芯片廠商帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。困難在于設(shè)計(jì)新一代能夠處理所有 ADSL 及 VDSL的集成電路時(shí),也必須對(duì)AFE、數(shù)據(jù)泵及網(wǎng)絡(luò)處理器模塊進(jìn)行升級(jí);在滿足高性能的同時(shí),為了節(jié)省片上空間要盡量重復(fù)使用支持 ADSL 與 VDSL 標(biāo)準(zhǔn)的模塊,尤其對(duì)于 30 MHz VDSL2 模式更是如此。隨著支持所有 xDSL 標(biāo)準(zhǔn)的單芯片解決方案的成功推出,這些模塊將集成到高度靈活的新型 RG 架構(gòu)中,從而加速推出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出消費(fèi)者、服務(wù)供應(yīng)商及設(shè)備制造商的期望的低成本產(chǎn)品。這些架構(gòu)使設(shè)備制造商可以靈活開(kāi)發(fā)支持多種家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的 RG,以實(shí)現(xiàn)在支持多個(gè)話音呼叫及增值服務(wù)的同時(shí)傳輸多路 HDTV 視頻流。

本文來(lái)源:德州儀器 作者:

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