xDSL标准对芯片制造商提出巨大挑战

2007-09-10 09:02:19来源: EDN China
DSL 技术在过去十年间获得长足发展,ADSL、ADSL2+、VDSL 及 VDSL2 等多种新的技术在视频、语音及数据应用中的表现远胜于现有电话铜线技术。新型 DSL 技术标准极大提高了数据吞吐能力,可满足多路高清电视(HDTV)信号传输等关键需求,而投资比光纤入户的成本低很多,因此许多电信公司已经开始或者正在考虑利用其中一种 DSL 技术提供三重播放业务。而这些标准的实施也向芯片设计师提出了更高要求。

1999 年 6 月,国际电联电信标准化部门(ITU-T) 制定了 ADSL 标准,铜线宽带业务开始在全球大众市场部署,到 2000 年其用户已达 500 万。ITU-T 为 ADSL 标准选择了离散多音频(DMT,也称正交频分多址接入,即OFDM)线路编码。DMT可将频谱分为多个相同带宽的子通道,通过正交幅度调制(QAM),每个子通道最多可调制 15 位信息。DMT的子载波互为正交,以防止载波间干扰。ADSL 使用频分多路复用(FDM)技术隔离上下行传输频带,使两部分频谱分别用于传输与接收。

提供语音及视频服务

在推出ADSL服务的同时,运营商也在考虑如何利用现有铜线技术提供语音及视频服务。于是ADSL2+标准运应而生,该标准在数据速率、覆盖范围、速率自适应以及诊断等方面均比ADSL有很大的提高。ADSL2+的下行频率最高达2.2MHz(ADSL仅为1.1 MHz),在较短环路中下行速率超过25 Mbps;并通过扩展低端频谱使上行数据速率达到1 Mbps 左右。ADSL每帧采用固定的 32kbps 的数据速率开销,而ADSL2+可降至4kbps,从而使有效负载数据传输速率提高了28kbps。ADSL2+ 通过增大交错深度(interleaver depth)及提供更灵活的组帧参数(每 DMT 符号的编码字数)降低开销并提高了编码增益,因此增强了里德-所罗门 (Reed-Solomon) 误差校正编码方法的效率。初始化状态机的改进使数据传输速率得到有效提升,电信运营商也可借此修正上下行频带。

据 DSL 论坛统计,截至 2005 年 3 月全球 DSL 用户数量已达 1.07 亿,占宽带用户总数 60%。其中大部分采用ADSL 技术,ADSL2+也逐渐得到推广;但对在提供语音及数据服务的同时采用多通道传输 HDTV 或普通 TV 信号的需求则是推动VDSL 标准产生的动力。

VDSL于2003 年获批作为短环路应用解决方案,此前这种应用通常使用光纤技术为小区提供远程数字用户专线访问多路复用器 (DSLAM) 支持,需要将两个现有本地环路联在一起。VDSL 的上下行传输使用多个频带,为高速数据传输及上下行数据对称提供了更大灵活性。

VDSL2 的问世

VDSL2 标准的研究于 2004 年起步,其目的是充分发挥双绞铜线 (copper pair) 潜力,以提供三重播放宽带业务。与 ADSL2+一样,VDSL2 也采用 DMT 作为线路编码,从而与 ADSL2+具有良好的向后兼容性;此外,其还与现有 ADSL2+的频谱相兼容。

VDSL2 具有丰富的配置选项及频带方案,能够满足服务供应商各种需要。该标准最多可使用 4096 个相互间隔 4kHz或 8kHz的 DMT 子载波来传输上下行数据;同时还提供了8.5 MHz、12 MHz、17.7 MHz 及 最高30 MHz 等多种频谱配置(VDSL1 仅为 12 MHz),所以在距离局端 1000 英尺的范围内可以为用户提供高达 100 Mbps 的对称数据速率。但当距离超过 3500 英尺时,上下行传输数据速率降至 ADSL2+ 的水平甚至更低。

各大电信运营商采用了不同的战略来提供三重播放业务。Verizon 及 NTT 等公司正在积极推进光纤到户(FTTH),这种方案避免了铜线带来的各种问题,但要为光纤铺设投入大量资金。AT&T 已开始启动U-verse 业务,即将光纤铺设到小区,然后使用 25 Mbps 的 VDSL2 解决入户问题,支持两个高清或标清视频信号的传输,该公司正在全力推进此业务并计划到 2006 年底扩大到 15 个市场。而德国通信公司(Deutsche Telecom)开始放慢部署 VDSL2,并告知该业务的普及比预期要慢。

XDSL 处理组件

目前,大多数主力 xDSL 芯片制造商都在设计符合 ADSL2+ 及 VDSL2 等所有主要 DSL 标准的单芯片。由于 VDSL2 的数据传输速度比 ADSL2+ 高出很多,这无疑对芯片制造商提出了巨大挑战。xDSL 芯片包含三个基本处理组件:模拟前端、数据泵和网络处理模块。

模拟前端 (AFE) 包含模数转换器 (ADC)、数模转换器 (DAC)、线路驱动器(LD,作用为高功率放大器)及模拟滤波器,实际上是负责接收、预处理并随后在 RX 通路中对模拟信号进行数字化处理。在TX通路中,AFE将数字采样转换为模拟信号并进行后处理,然后使用LD将信号差动耦合至双绞线环路。

数据泵提取RX模拟信号的数字采样,并使用各种数字信号处理技术使其尽量接近传输格式,随后对信号进行解调,并对所提取的信息位进行解码。在TX通路中,数据泵将信息位进行编码,然后调制为DMT码元,经过数字滤波后将数字采样传输到 AFE。

网络处理模块按照 DSL 数据链路及网络层规范对数据码元分组打包。

芯片设计人员面临的挑战

将上述三种模块从 ADSL2+ 升级至双 A/VDSL2会给芯片设计师带来很多困难。

VDSL2 AFE的设计(尤其是30 MHz VDSL2)十分困难,在所需的最大输出功率及最大运行频率下很难达到LD失真及线性规范。同时,17MHz或30MHz VDSL2模式下ADC/DAC的高采样速率意味着采样的动态范围及线性位数量可能影响AFE性能。一般情况下,由于环路长度较短,VDSL2所需动态范围小于ADSL。另外,当模拟RX及TX 滤波器工作在较高频率下尤其是当滤波器集成在 AFE/LD 芯片中时,寄生效应更加明显。另外将 ADSL 及 VDSL 变压器电路集成到 LD 接口也很困难。

由于 ADSL 及 VDSL2 均采用同种 DMT 调制架构,许多模块可以支持这两种模式。VDSL2 的数字信号处理量比 ADSL 大的多,原因是采样传输到数据泵的速率大幅度增长。但从数学角度而言,用于防止通道损坏、消除回声及帧/定时同步等信号处理算法要比 ADSL 简单许多。

网络处理器相当于多功能路由,通常包括 ARM 或 MIPS 内核等可编程平台,同时还能用作 IP 及数据链路层之间的接口,和提供安全功能、专用协议以及其它所需的2、3 层功能。实现平台灵活性的最大挑战在于网络处理器处理功率和内存的缓慢增加。

芯片厂商最近开始推出支持各种 DSL 的单芯片方案,但也在观望运营商的反应以避免冒进。其中一些方案支持所有宽带的 VDSL2 模式(最高达30 MHz),另外一些则支持最高为 8.5MHz或 17.7MHz。如采用VDSL2 技术,运营商需要为光纤铺设及在小区内远程终端的安装方面投入巨额资金。目前看来,VDSL2将在 12个月~24个月内实现高销量。

小区网关集成 XDSL 芯片

在小区网关(RG)集成xDSL芯片则无需处理关键组件与其它设计间的接口问题。目前,组件生产商开始推出设计完整、文档齐全、具有所需的所有接口的开发板。由于简化了设计任务,并且其建立的 DSL RG 可以满足市场对视频带宽、服务质量 (QoS)、脉冲噪声保护(INP)等要求,该开发板将有助于拓展 DSL RG 市场。

要在整个家庭内进行广播级视频传输,RG 必须集多种有线与无线技术、安全特性和 QoS于一体,支持最新的无线网络技术,如现有的 802.11g 及新的 802.11n 标准;此外还应支持以太网、同轴电缆多媒体联盟 (MOCA)、家庭插电联盟(HPPA) 及通用电力线协会 (Universal Powerline Association)等各种有线组网技术。

半导体厂商正在对上述要求做出积极响应,努力提供高性能、高灵活度、实用性强的开发平台来满足服务供应商的各种需要。典型功能集应包括多处理器及各种本地局域网 (LAN) 接口;多处理器专用于不同的业务可以确保向终端用户提供较高的系统性能及良好的QoS。

图2为 TI 的 UR8 结构图。UR8 是一种集成 ADSL 及 VDSL2 宽带连接的集成式 SoC(片上系统),其丰富的处理资源实现了具有差异化增值服务和市场竞争力产品的灵活开发。

UR8的多媒体网关处理器及其互补内存控制器负责控制及操作系统的运行,并监控 RG 的整体情况。宽带DSP使用 ASDL 及 VDSL2 等协议将 RG 接入广域网(WAN)。UR8中专门配备了负责VoIP 的第三方 DSP,以确保该架构可支持高质量、高可靠性的语音通信。

UR8 VoIP 子系统架构灵活,支持多个有线及无线 CODEC,在处理多达4个~8个电话时不会影响其它功能。统一的 DSL PHY 支持 VDSL2,从而能向家庭传输多路 HDTV 数据流,其同时也支持所有ADSL 模式(ADSL2+ )。

DSL 技术的快速发展给芯片厂商带来巨大挑战。困难在于设计新一代能够处理所有 ADSL 及 VDSL的集成电路时,也必须对AFE、数据泵及网络处理器模块进行升级;在满足高性能的同时,为了节省片上空间要尽量重复使用支持 ADSL 与 VDSL 标准的模块,尤其对于 30 MHz VDSL2 模式更是如此。随着支持所有 xDSL 标准的单芯片解决方案的成功推出,这些模块将集成到高度灵活的新型 RG 架构中,从而加速推出远远超出消费者、服务供应商及设备制造商的期望的低成本产品。这些架构使设备制造商可以灵活开发支持多种家庭网络技术的 RG,以实现在支持多个话音呼叫及增值服务的同时传输多路 HDTV 视频流。

关键字:吞吐  幅度  调制  通道

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