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满足模拟接口要求的VDSL前端主要指标分析
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甚高速数字用户线(VDSL)技术将是有线数据通信发展的下一个关键技术，目前VDSL的调制方案还没有确定，但无论最终是采用QAM或DMT，都将面临十分复杂的模拟接口问题。本文针对模拟接口所涉及的误码率、噪声、失真和功耗等问题，详细讨论了设计工程师在开发VDSL前端时面临的挑战和解决办法。目前ADSL技术已经获得了巨大的成功，预计今后几年内其用户数还会继续增加。但随着用户不断要求更高的连接速度，很多人相信VDSL必将是有线数据通信发展的下一个关键技术。
正如ADSL一样，VDSL也必须通过模拟信号来实现通信，无论最终采用何种编码方案(QAM或DMT)，VDSL面临的模拟接口问题都一样复杂。本文将讨论设计人员在开发一种VDSL前端时所必须解决的模拟接口问题。讨论时，我们将考虑误码率(BER)、噪声、失真以及更多其他性能要求。
定义线路驱动器要求
VDSL将频谱分成5个不同频段，如图1所示。与ADSL的不对称频谱相比，VDSL很容易获得对称的数据速率。即使线路条件与服务提供商来决定实际的线路速率利用率，仍然有可能实现对称数据速率。此外，应由制造商自己决定
利用其中的2、3、4频段，或所有的5个频段。这使得根据电话公司所能提供的服务选项来定制数据速率变得很容易。
信号传输时，无论是数据泵、数据转换器还是滤波器，信号都必须通过模拟放大器在时域传输。图2所示为一种采用1:1变压比的电路配置图。为简单起见，图2所示电路采用了传统的端接技术。此电路已在ADSL中广泛使用，该配置的差分特性被证明非常有效。此电路配置的优势包括将变压器输出电压加倍、减少偶次谐波，以及在系统中保持内在平衡的信号传输等。
功率电平的考虑
T1.424 VDSL标准草案规定，对于采用100(线路条件下的中心局(CO)部署中，上、下行信号的最大功率电平不得超过+14.5dBm。而对于部署在机柜的情况，下行信号电平限制在+11.5dBm，而上行信号电平则限制在+14.5dBm。相对而言，ADSL允许上、下行信号电平分别达到+13dBm及+20dBm。ETSI标准规定在采用135(线路的所有情况下，上行信号电平都不能超过+11.5dBm。
VDSL的一项优良特性是该标准允许系统在25kHz 至1.1MHz的ADSL频段内传输与ADSL信号功率谱密度一样的-40dBm/Hz信号。超过1.1MHz的极限功率谱密度一般为-60dBm/Hz，但一些屏蔽线允许在高达12MHz的某些点上拥有-50dBm/Hz的功率谱密度。其优势是VDSL可在与ADSL相同的距离上达到同样的数据速率，同时还具有在较短环路长度上提高速率的能力。
在这里，我们必须首先将这些功率电平关联到电压及电流值。对于T1.424定义的VDSL技术标准以及100(负载，+14.5dBm意味着1.68Vrms的电压，+11.5dBm即意味着1.38Vrms的电压。而对于ETSI标准，+11.5dBm意味着1.38Vrms的电压。利用这些值，下一步便是分析线路驱动放大器必须提供多大的峰值电压及电流。
但所给出的这些值是均方根(rms)值。正如ADSL一样，当在时域中产生多个音频时，可能将产生大的尖峰。为使误码率(BER)低于标准所规定的1x10-7水平，限幅(削波)问题必须限制在最低水平。
为确定所允许的限幅大小，一般给系统定义一个振幅因数(CF)或峰值-均值比(PAR)。到底多大的PAR值才是适当的常常具有争议，根据代码具体实现结合PAR值缩减考虑，各个厂商都几乎采用不同的PAR值。DMT系统的典型PAR值介于15dB至最高的18dB之间。
BER与变压比要求
对于模拟线路驱动器设计，必须利用峰值电压及电流来确保满足BER要求。故电源必须经过适当选择以支持峰值输出电压，并加上放大器本身的内部余量再加一些安全余量。对于大多数放大器而言，此余量至少应为2V。值得注意的是，这是一种动态余量，而非静态或直流余量。另外，当放大器输出峰值电压时所推动的电流为最高，这意味着放大器的资料手册可能并未给出选择一种合适放大器所需的全部参数。
线路驱动放大器要求的另一个因素是变压比。低的变压比(例如1:1)允许最多的接收信号进入系统，同时对系统噪声要求最低。
由于VDSL涉及到很高的频率，再加上双绞线的衰减特性，故VDSL有可能拥有最高的接收信号，即最低的变压比一般将达到最佳的接收数据速率。如图2所示，以1:1变压比及16.9dB的PAR值产生+14.5dBm的线功率，要求线路驱动器产生最大11.8Vp(23.6Vpp)的输出电压及118mA的输出电流。要求的均方根值为非常适中的1.68Vrms及16.8mArms，因为变压器的有效负载为RLine/N2。
而另一方面，使用大变压比，譬如1:2，则允许为线路驱动器采用较低的电源。而低电源则能降低功耗，但是将很难满足噪声要求，且接收信号以相同比例减少，而线路驱动器的输出电流则以同样的变压比增加。
利用与前面一样的示例，线路驱动器现在需要产生最大5.9Vp (11.8Vpp)的输出电压及235mA的输出电流。值得注意的是，该电压和电流是在线路驱动器频率高达12MHz的条件下产生，要控制这么大的电流并实现低失真具有很大的困难。
表1列出了不同标准对线路驱动放大器的影响，其中给出了ADSL电平以进行比较。需要注意的是，这些数字并未考虑变压器损耗，而该损耗在整个频段内一般介于0.2dB与0.5dB之间。
在分析表1所列出的放大器输出要求时，为线路功率增加插入损耗以替代所增加的功率损失。例如，如果有0.5-dB的插入损耗，则放大器将需要在放大器输出端产生一个相当于+15dBm的功率电平。这迫使放大器为1:1变压器产生最大12.45Vp的电压及124.5mA的电流，以在线路上获得+14.5dBm的信号功率电平(假设变压器的插入损耗为0.5
dB)。
噪声要求
线路驱动器噪声是VDSL系统的另一个关键问题。放大器将在整个频率范围内产生噪声，而并非仅在传输频段。这种噪声将存在于接收频段，必须由混合电路来抑制从线路驱动器中输出的信号以及避免噪声进入接收通道。
但由于线路条件不受控，故混合电路一般只能抑制6到20dB的传输信号及噪声。按经验假设能产生6dB的抑制(但某些情况下此值能低到0dB)，这意味着在只有6dB的抑制条件下，由线路驱动器所产生的任何噪声都将耦合到接收通道中。
能达到-140-dBm/Hz的系统噪声目标将非常理想，这意味着放大器总的差分输出噪声将不超过-140dBm/Hz+20log (2/N)(其中N为图3所示传统系统中的变压比)。为达到100(系统中-140-dBm/Hz的噪声要求，线路驱动器的差分输出噪声必须小于63 nV/√Hz(对1:1变压器)及31.6nV/√Hz(对1:2变压器)。然而，这并非是一个能轻易达到的指标，因为输出噪声直接受放大器增益、放大器电压噪声、电流噪声以及电阻值的影响。
由于速度与传输信号有关，故电流反馈(CFB)放大器不失为线路驱动器的一种良好选择。其斜率一般能超过2,000 V/μs，且没有电压反馈(VFB)放大器那样的增益带宽限制，而且当在增益大于3的情况下使用时还拥有相对较低的噪声。
失真处理
线路驱动放大器下一个必须考虑的因素是失真。从ADSL出现一开始，多音功率比(MTPR)就是一个纠缠不休的问题。从原理上来讲，MTPR并不比谐波失真麻烦，因为后者能产生成百上千个音频。
可以把MTPR看作与三阶互调失真(IMD3)测试相同的指标，但是一种极限情况 。通过在发射频带发送除了丢失音之外的所有音频，我们可以进行这种测试。可以测量由于失真在丢失站(missing bin)产生的失真量，取其差即为MTPR。因为放大器只放大输入其中的东西，因此，如果存在来自编码解码器的失真，放大器会相应对产生的失真进行放大。
最初的ADSL标准规定MTPR要求等于(3B+20)dB，其中B是系统的位数。目前，很多VDSL系统都为10位，但预计近期将至少增加至12位，甚至随着更快的数据速率的出现将增加至14位。对于12位系统，MTPR预计为56dB，而14位系统则要求有62dB的MTPR。
然而，目前的应用系统已经证明了在ADSL中52～54dB的MTPR已经能获得足够好的性能。尽管系统采用52dB就已经很合适了，但大部分ADSL设计尽力采用15位的B值，从而要求最低65dB的MTPR。这意味着，MTPR并非事实上的标准，只不过是个优良指数罢了。MTPR越高，线路驱动器的线性越好，且其产生无干扰信号的潜力也越大。
接收频段溢出
线路驱动器另一项更为重要的失真指标是接收频段溢出，然而这种指标在厂商提供的数据资料中一般很难找到。
图4给出下行放大器这项指标测试的概念。从本质上讲，就像MTPR测试一样，该测试将在传输频段产生所有音频。尽管可采用如MTPR测试一样的单个音频，但这是一项及其困难的测试，且在实际系统环境中并不现实。相反，最佳的信号是调制后的测试信号，如用于培训序列的信号(又称为showtime信号)，然后可以检测接收频带中产生的失真量。
如果是线路驱动器在接收频段产生失真，则将抬高接收频段的噪声基准(noise floor)。由于较差的混合抑制而使很低的线路驱动器噪声要求变得非常重要一样，接收频段失真问题也同样重要，这种失真的主要影响是使接收数据速率及距离减小。对于VDSL来说，达到高于-68dBc的接收频段失真水平非常理想，而对于接收频段一般为25kHz至138kHz的ADSL来说，接收频段失真应优于90dBc才能获得良好的接收数据速率及更长的线路距离。
可能有人会认为-68dBc并不是很好，特别是与ADSL相比，但考虑到12MHz比1.1MHz的带宽宽10倍，以及所采用的多10倍的音频数，达到这种水平的接收频段失真对于线路驱动器来说已经是一种很大的挑战。如果再加上低噪声要求、潜在的高信号增益以及超过100mA驱动峰值电流的要求，设计任务甚至变得更具挑战性。因此，CFB放大器是满足这种失真要求的理想选择。
从ADSL失误中吸取教训
VDSL吸取了ADSL的发展教训。对于ADSL来说主要关注的一件事是中心局中的功耗，尤其当中心局必须为线路提供+20dBm的信号电平，以及在一块PCB上拥有多达72条线路的时候。为解决此问题，ADSL现在采用合成阻抗或有源阻抗。该技术可有效地减少后端端接所需的串联电阻值，以及对线路上输入信号的接收。
采用有源阻抗的优势是可极大地减少此阻抗上的信号损失，并能减少线
路驱动器的输出电压及电源电压，能将功耗降低多达50%。
这种阻抗技术的缺点是接收信号被显著地减少。对于信号频率很高且拥有最大线衰减的VDSL而言，这具有非常大的冒险性。如果有源终端被用作合成因子，则原始阻值与新阻值之比应相当地小。当前的ADSL系统一般采用4至10的合成因子，除特殊情况或短距系统外，VDSL应尽量采用不超过2至3的合成因子。
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