构建高性能ADSL前端电路

ADSL系统中模拟前端电路设计具有很大挑战性，设计工程师必须处理发送信道的功耗和接收信道的噪声问题，因此在前端电路中除了实现信号发送还要进行信号滤波和放大等处理。本文作者将分别就发送信道、接收信道、高通滤波器以及混合耦合电路等部分阐述满足前端电路性能的设计要点和方法。

在ADSL应用中，信号从数字部分到模拟部分最后再到达电话线，为了满足这种应用的性能要求必须设计可靠的模拟前端电路。设计这种前端电路具有一定挑战性，要求深入了解信号处理、ADSL系统的性能要求以及模拟电路性能。

除发送信号外，前端电路对于收到的数据还能进行双重处理，即从电话线捕捉信号，并对信号进行滤波，再将这些信号传送至模数转换器(ADC)。下面将分析ADSL前端电路设计中的核心问题，了解设计中所采用的混合电路以及前端电路性能同核心器件的发送和接收功能之间的联系。图1显示了ADSL芯片组的功能框图，其中虚线标注的部分通常视为模拟前端电路。

前端电路

前端电路的性能通常可以由数据率和有效范围两个参数确定，数据率表征调制解调器的最高数据速率容量，而有效范围则表征能实现上述数据率的最大电话线长度。虽然ANSI T1.413(控制ADSL调制解调器主要设计指标的标准)设定了最低的性能指标，但激烈的市场竞争往往促使设备制造商和芯片供应商力争使其开发出的产品性能更优越。

ADSL终端设备已经进入了批量生产，其快速发展给前端电路设计工程师提出了更多的挑战。当第一块ADSL芯片开发出时，更多的是强调以此实现调制解调器功能(数据率和有效范围)，其次才是容量。在此期间，设计工程师还在寻求在电话中心局(CO)实现更大的端口密度。实际上，随着ADSL需求的增长，电信公司希望能得到两倍甚至三倍的电路密度。目前，中心局中的ADSL电路卡能容纳32、64甚至72个电路通道。

这种需求在空间和功率两个方面为前端电路设计提出了更高的要求。空间要求是显而易见的，由于受底板的限制，电路卡的尺寸应当是固定的，因此较高的电路密度只有在每个信道的电路密度增加时才能实现。在未来的芯片中，硅片上还将集成更多的功能以实现更高的电路密度。

在过去的几年中，功耗得到了极大地降低，这在线路驱动器中尤为明显。早期的CO线路驱动器驱动全速离散多音(DMT) ADSL信号的功耗约为2.5W，而现在随着设计的改进和设计布局结构的变化，相同的驱动器可以低于1W的功率完成相同的工作，但线路驱动器仍然是芯片组中最主要的功耗元件。

发送信道

发送(Tx)信道中模拟前端电路的功能是对由数模转换器(DAC)产生的模拟信号进行放大和滤波，并将这些信号以适当的功率水平发送至电话线。从DAC输出的信号通常将在某个信号通道中经历一次放大过程，放大增益的设定将使DAC的满标输出为线路驱动器提供正确的输出电压，并将适当的功率水平传送至电话线。

ANSI标准通过指定功率谱密度屏蔽，规定了发送信号的频谱界限。Tx信道中的低通滤波器(LPF)要求除去在采样频率整数倍处由DAC生成的镜像分量(image product)。虽然滤波器的精确阶数取决于数模转换器的采样频率，但3阶切比雪夫(Chebyshev)算法是一种通用解决方案。滤波器的截止频率点设定为1.1 MHz 以上，以使发送频段中频率最高的信号通过，以实现对较高频率信号的最大抑制。

高通滤波器(HPF)

在Tx信道中除了LPF外，ADSL频分多路复用(FDM)有时也需要高通滤波器，高通滤波器可在25至138kHz频段内降低噪声。尽管Tx信道的信号不在该频段内，但该信道仍带有D/A的量化噪声。如果没有高通滤波器，量化噪声将通过Tx信道进入混合电路。

尽管混合电路可阻止Tx信道的信号进入接收(Rx)信道，但要得到良好的噪声性能，这样的效果仍然不够。因此Tx信道中必须添加高通滤波器以提高滤波性能，但高通滤波器的缺陷是必须对其截止频率点进行精确控制。为了尽可能改进噪声抑制性能，截止频率点必须设定为尽可能高的频率，而且不会破坏Tx频段的低频部分。HPF的截止频率要求必须使用精确无源器件，这意味着如果将滤波器集成至硅片中，将需要采用激光技术进行修整。

多音功率比

线路驱动器的多音功率比(Multitone power ratio，MTPR)性能对ADSL的两个频域都至关重要。首先，Tx频段的线性性能必须能够防止Tx信号自身受到破坏。其次，Tx频段的非线性特性不应在Rx频段中产生严重的互调分量。

为了测试MTPR，将多个载波组成的信号通过驱动器。然后在这些位置检验频谱，确定溢出点的数目(这些溢出产生的原因是由于在载波频率存在条件下，产生互调失真的放大器存在着非线性特性)。由于ADSL DMT是多载波系统，该测试能准确预测在应用中线路驱动器的性能。

为了满足ANSI规范中给出的电话线回程损耗要求，线路驱动器电路必须以适当的阻抗终结线路。在ADSL敏感的频率上，线路的阻抗通常取100Ω。图2显示了配置线路驱动器电路的一种方法，这是一种常规配置方法，目前仍在许多系统中应用。

驱动器配置

前端电路在为Tx全速DMT信号提供所需电压的同时，还提供了必要的反向线路终结器。匝数比为1:2的变压器通常用来提高线路电压，其结果得到4比1的阻抗变换。因此要求变压器初级端的阻抗达到25Ω，以与100Ω的线路阻抗相匹配。在本例中，每个串联电阻器(R_S)的阻值为12.5Ω。

尽管传统的线路驱动器配置方法提供了必要的驱动和阻抗匹配，串联电阻器意味着驱动器本身必须提供两倍于线路最大电压的输出，这也意味着电源电压必须更高一些，因而功耗也将更大。

这类驱动器常规功耗的范围为1.5至2.5W，具体大小取决于驱动器的效率及其它系统参数，如变压器的匝数比和系统的峰值与平均值之比(PAR)。尽管该方法实现了性能的优化，但其功耗对于实现较高电路密度的设计仍是一大缺陷。

另一种用于线路驱动器的配置方法称为有源终结器(active termination)或综合阻抗(synthesized impedance)。在该方法中，反馈可用来为线路匹配提供适当的阻抗，而无须使用常规方法中的那些大电阻器。这种方法通过串联匹配电阻器极大地降低了电压，因而电源电压和功耗都比较低。

有源终结器的一种实现方法参见图3。在电路中，增益为10的反馈将得到一个阻抗值为常规串联终结器10%的电阻器R_S。有源终结器电路的功耗通常为1W或更低。

有源终结器的缺陷是输入的接收信号降低的系数与其放大系数相同，因为信号将流过所有的串联终结电阻器。在上述给出的反馈系数为10的示例中，当接收到的信号通过电阻器时，该信号的值将为常规终结器情形下的10%。在设计接收信道时必须考虑这一问题。

接收信道

功耗对Tx信道至关重要，而Rx信道更关注噪声问题。经常会出现这样的情形，调制解调器首先在上行的数据传输中失败，这可能意味着CO的Rx信道达到了其性能极限(该极限通常是由噪声决定)。由于这部分是系统中的薄弱环节，在了解性能极限并使设计具备最大的噪声裕度过程中，必须采取必要的预防措施。

Rx信道的第一级通常是放大级，该级经常采用前置放大器实现。前置放大器必须具有低噪声特性，例如，如果线路上的噪声等级是-140dBm/Hz (31.6 nV/rt-Hz)，而且使用的变压器的匝数比为1:2，那么Rx前置放大器的输入参考噪声必须为该噪声级的一半。如果前置放大器的输入线路噪声为16nV/rt-Hz ，那么设计工程师选择的前置放大器必须使输入噪声不会明显降低该性能水平。另外，混合电路中电阻值的选取也很关键，太大的阻值将降低噪声性能，而太小的阻值则将影响线路的终端阻抗。

有源终结器的缺陷是输入的接收信号

接收信道中前置放大器的另一核心条件是电压一致性。为了保持不产生信号失真，Rx前置放大器在任何条件下都必须保持在线性工作区域以内。当Tx信道输出满功率时，可以估计出通过混合电路的Tx信号量。

例如，如果Tx驱动器的输出包含一个信号峰峰值为20V的信号，而且混合电路提供常规的20dB的抑制能力，那么出现在前置放大器输入的Tx信号将为2V_p-p。如果前置放大器的增益为2，那么前置放大器输出部分将出现4V_p-p信号，该信号将添加至任何存在Rx信号的地方。

在较短的线路或者混合电路抑制能力较低的情形下，前置放大器的输出可逼近限幅电平。Tx信号通过低通滤波级后(通常位于前置放大器之后)将被去除，只有经过增益放大的Rx信号才能满足D/A要求的输入电压范围。

这里需要注意，由于存在Tx回波问题，只有一些必要的Rx信道增益可以在Rx信道低通滤波器之前应用。用较大的电源(如+15V电源)驱动前置放大器和低通滤波器将使该问题迎刃而解，但利用3.3V很难解决回波问题。

Rx信道低通滤波器的用途是除去通过混合电路的Tx信道信号。这些多余的信号将在Rx信道中产生电压一致性问题，因此需要采用较大的增益来除去这些信号，并优化A/D输入。为此，通常可以在ADC之前使用可编程增益放大器，而增益范围需要利用线路长度变化时接收信号的幅度来调节。

混合式耦合器

混合式耦合器通过使Tx和Rx信号分离，可使调制解调器实现全双工操作。图4显示了一个只带单端连接的简化混合电路。Tx信道信号由线路驱动器通过该混合电路进入电话线。经过电话线进入的Rx信号通过该混合电路进入Rx信道，但试图进入Rx信道的Tx信号将被混合电路抑制。在图4中只需适当地选取Z_ref，即可使混合电路形成桥接电路，从而抑制掉进入Rx信道的Tx信号。

实际上，由于难以使电话线的复阻抗与Z_ref精确匹配，在Rx信道屏蔽中只能抑制6到20dB的Tx信号。由于从空间和成本上考虑，通常需要在Z_ref和抑制Tx信号的能力之间进行折衷。

在设计中，使ADSL调制解调器具有最低功率且尺寸最小无疑最为关键。功耗由CO线路驱动器支配，而CO线路驱动器在过去的数年中得到了极大的改进，而且未来将取得更多新的发展。另外，更高的电路密度需求使得每个器件都变得更为关键。最理想的设计是以最优的成本实现较低功率、最小器件和最高性能的完美结合。

作者：Jim Quarfoot

资深技术工程师

Email: quarfoot@ti.com

德州仪器公司