xDSL標準對芯片制造商提出巨大挑戰(zhàn)

DSL 技術在過去十年間獲得長足發(fā)展，ADSL、ADSL2+、VDSL 及 VDSL2 等多種新的技術在視頻、語音及數據應用中的表現(xiàn)遠勝于現(xiàn)有電話銅線技術。

新型 DSL 技術標準極大提高了數據吞吐能力，可滿足多路高清電視（HDTV）信號傳輸等關鍵需求，而投資比光纖入戶的成本低很多，因此許多電信公司已經開始或者正在考慮利用其中一種 DSL 技術提供三重播放業(yè)務。而這些標準的實施也向芯片設計師提出了更高要求。

1999 年 6 月，國際電聯(lián)電信標準化部門（ITU-T） 制定了 ADSL 標準，銅線寬帶業(yè)務開始在全球大眾市場部署，到 2000 年其用戶已達 500 萬。ITU-T 為 ADSL 標準選擇了離散多音頻（DMT，也稱正交頻分多址接入，即OFDM）線路編碼。DMT可將頻譜分為多個相同帶寬的子通道，通過正交幅度調制（QAM），每個子通道最多可調制 15 位信息。DMT的子載波互為正交，以防止載波間干擾。ADSL 使用頻分多路復用（FDM）技術隔離上下行傳輸頻帶，使兩部分頻譜分別用于傳輸與接收。

提供語音及視頻服務

　　在推出ADSL服務的同時，運營商也在考慮如何利用現(xiàn)有銅線技術提供語音及視頻服務。于是ADSL2+標準運應而生，該標準在數據速率、覆蓋范圍、速率自適應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2.2MHz（ADSL僅為1.1 MHz），在較短環(huán)路中下行速率超過25 Mbps；并通過擴展低端頻譜使上行數據速率達到1 Mbps 左右。ADSL每幀采用固定的 32kbps 的數據速率開銷，而ADSL2+可降至4kbps，從而使有效負載數據傳輸速率提高了28kbps。ADSL2+ 通過增大交錯深度（interleaver depth）及提供更靈活的組幀參數（每 DMT 符號的編碼字數）降低開銷并提高了編碼增益，因此增強了里德－所羅門 （Reed-Solomon） 誤差校正編碼方法的效率。初始化狀態(tài)機的改進使數據傳輸速率得到有效提升，電信運營商也可借此修正上下行頻帶。

　　據 DSL 論壇統(tǒng)計，截至 2005 年 3 月全球 DSL 用戶數量已達 1.07 億，占寬帶用戶總數 60％。其中大部分采用ADSL 技術，ADSL2+也逐漸得到推廣；但對在提供語音及數據服務的同時采用多通道傳輸 HDTV 或普通 TV 信號的需求則是推動VDSL 標準產生的動力。

　　VDSL于2003 年獲批作為短環(huán)路應用解決方案，此前這種應用通常使用光纖技術為小區(qū)提供遠程數字用戶專線訪問多路復用器 （DSLAM） 支持，需要將兩個現(xiàn)有本地環(huán)路聯(lián)在一起。VDSL 的上下行傳輸使用多個頻帶，為高速數據傳輸及上下行數據對稱提供了更大靈活性。

VDSL2 的問世

　　VDSL2 標準的研究于 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。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及頻帶方案，能夠滿足服務供應商各種需要。該標準最多可使用 4096 個相互間隔 4kHz或 8kHz的 DMT 子載波來傳輸上下行數據；同時還提供了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 英尺的范圍內可以為用戶提供高達 100 Mbps 的對稱數據速率。但當距離超過 3500 英尺時，上下行傳輸數據速率降至 ADSL2+ 的水平甚至更低。

　　各大電信運營商采用了不同的戰(zhàn)略來提供三重播放業(yè)務。Verizon 及 NTT 等公司正在積極推進光纖到戶（FTTH），這種方案避免了銅線帶來的各種問題，但要為光纖鋪設投入大量資金。AT&T 已開始啟動U-verse 業(yè)務，即將光纖鋪設到小區(qū)，然后使用 25 Mbps 的 VDSL2 解決入戶問題，支持兩個高清或標清視頻信號的傳輸，該公司正在全力推進此業(yè)務并計劃到 2006 年底擴大到 15 個市場。而德國通信公司（Deutsche Telecom）開始放慢部署 VDSL2，并告知該業(yè)務的普及比預期要慢。

XDSL 處理組件

　　目前，大多數主力 xDSL 芯片制造商都在設計符合 ADSL2+ 及 VDSL2 等所有主要 DSL 標準的單芯片。由于 VDSL2 的數據傳輸速度比 ADSL2+ 高出很多，這無疑對芯片制造商提出了巨大挑戰(zhàn)。xDSL 芯片包含三個基本處理組件：模擬前端、數據泵和網絡處理模塊。

　　模擬前端 （AFE） 包含模數轉換器 （ADC）、數模轉換器 （DAC）、線路驅動器（LD，作用為高功率放大器）及模擬濾波器，實際上是負責接收、預處理并隨后在 RX 通路中對模擬信號進行數字化處理。在TX通路中，AFE將數字采樣轉換為模擬信號并進行后處理，然后使用LD將信號差動耦合至雙絞線環(huán)路。

數據泵提取RX模擬信號的數字采樣，并使用各種數字信號處理技術使其盡量接近傳輸格式，隨后對信號進行解調，并對所提取的信息位進行解碼。在TX通路中，數據泵將信息位進行編碼，然后調制為DMT碼元，經過數字濾波后將數字采樣傳輸到 AFE。

　　網絡處理模塊按照 DSL 數據鏈路及網絡層規(guī)范對數據碼元分組打包。

芯片設計人員面臨的挑戰(zhàn)

　　將上述三種模塊從 ADSL2+ 升級至雙 A/VDSL2會給芯片設計師帶來很多困難。

　　VDSL2 AFE的設計（尤其是30 MHz VDSL2）十分困難，在所需的最大輸出功率及最大運行頻率下很難達到LD失真及線性規(guī)范。同時，17MHz或30MHz VDSL2模式下ADC/DAC的高采樣速率意味著采樣的動態(tài)范圍及線性位數量可能影響AFE性能。一般情況下，由于環(huán)路長度較短，VDSL2所需動態(tài)范圍小于ADSL。另外，當模擬RX及TX濾波器工作在較高頻率下尤其是當濾波器集成在 AFE/LD 芯片中時，寄生效應更加明顯。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 調制架構，許多模塊可以支持這兩種模式。VDSL2 的數字信號處理量比 ADSL 大的多，原因是采樣傳輸到數據泵的速率大幅度增長。但從數學角度而言，用于防止通道損壞、消除回聲及幀/定時同步等信號處理算法要比 ADSL 簡單許多。

　　網絡處理器相當于多功能路由，通常包括 ARM 或 MIPS 內核等可編程平臺，同時還能用作 IP 及數據鏈路層之間的接口，和提供安全功能、專用協(xié)議以及其它所需的2、3 層功能。實現(xiàn)平臺靈活性的最大挑戰(zhàn)在于網絡處理器處理功率和內存的緩慢增加。

　　芯片廠商最近開始推出支持各種 DSL 的單芯片方案，但也在觀望運營商的反應以避免冒進。其中一些方案支持所有寬帶的 VDSL2 模式（最高達30 MHz），另外一些則支持最高為 8.5MHz或 17.7MHz。如采用VDSL2 技術，運營商需要為光纖鋪設及在小區(qū)內遠程終端的安裝方面投入巨額資金。目前看來，VDSL2將在 12個月~24個月內實現(xiàn)高銷量。

小區(qū)網關集成 XDSL 芯片

　　在小區(qū)網關（RG）集成xDSL芯片則無需處理關鍵組件與其它設計間的接口問題。目前，組件生產商開始推出設計完整、文檔齊全、具有所需的所有接口的開發(fā)板。由于簡化了設計任務，并且其建立的 DSL RG 可以滿足市場對視頻帶寬、服務質量 （QoS）、脈沖噪聲保護（INP）等要求，該開發(fā)板將有助于拓展 DSL RG 市場。

　　要在整個家庭內進行廣播級視頻傳輸，RG 必須集多種有線與無線技術、安全特性和 QoS于一體，支持最新的無線網絡技術，如現(xiàn)有的 802.11g 及新的 802.11n 標準；此外還應支持以太網、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 （Universal Powerline Association）等各種有線組網技術。

　　半導體廠商正在對上述要求做出積極響應，努力提供高性能、高靈活度、實用性強的開發(fā)平臺來滿足服務供應商的各種需要。典型功能集應包括多處理器及各種本地局域網 （LAN） 接口；多處理器專用于不同的業(yè)務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 結構圖。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現(xiàn)了具有差異化增值服務和市場競爭力產品的靈活開發(fā)。

　　UR8的多媒體網關處理器及其互補內存控制器負責控制及操作系統(tǒng)的運行，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（WAN）。UR8中專門配備了負責VoIP 的第三方 DSP，以確保該架構可支持高質量、高可靠性的語音通信。

　　UR8 VoIP 子系統(tǒng)架構靈活，支持多個有線及無線 CODEC，在處理多達4個～8個電話時不會影響其它功能。統(tǒng)一的 DSL PHY 支持 VDSL2，從而能向家庭傳輸多路 HDTV 數據流，其同時也支持所有ADSL 模式（ADSL2+ ）。

　　DSL 技術的快速發(fā)展給芯片廠商帶來巨大挑戰(zhàn)。困難在于設計新一代能夠處理所有 ADSL 及 VDSL的集成電路時，也必須對AFE、數據泵及網絡處理器模塊進行升級；在滿足高性能的同時，為了節(jié)省片上空間要盡量重復使用支持 ADSL 與 VDSL 標準的模塊，尤其對于 30 MHz VDSL2 模式更是如此。隨著支持所有 xDSL 標準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 架構中，從而加速推出遠遠超出消費者、服務供應商及設備制造商的期望的低成本產品。這些架構使設備制造商可以靈活開發(fā)支持多種家庭網絡技術的 RG，以實現(xiàn)在支持多個話音呼叫及增值服務的同時傳輸多路 HDTV 視頻流。