的设计原理

使用使用 USB 接口的接口的 ADSL MODEM 的设计原理的设计原理 作者：厦门经济信息中心 刘榕和 来源：国外电子元器件 摘要：摘要：AD20msp910是 ADI 公司提供的一套用于 ADSL MODEM的芯片集，它包 括 AD6435 计算机接口、AD6436DMT协处理机、AD6437 模拟端接口芯片、 AD816 线路驱动/收发器、ADSP-2183 数字信号处理机。文中介绍了 ADSL技术的 基本原理以及 AD6435、AD6436、AD6437 和 ADSP-2183 的结构特点和引脚分 类。最后给出了应用该芯片集设计 ADSL MODEM的设计原理和方法。 关键词：关键词：ADSL USB MODEM AM20msp910 随关互联网的日益发展，各种交互式多媒体方面的服务逐渐增加，这对于网络的连接速率 要求也越来越高。在传统的两线制电话线路上实现与网络的高速率连接的应用研究人有很重要 的意义。本文介绍一种利用 ADSL（Asymetric Digital Subscrber Line-非对称数字用户环线）技 术实现用标准的铜芯电话线进行高速率的网络接入的方法。结合某个应用项目，笔者利用 ADI 公司的 ADSL MODEM 的芯片组 和 CYPRESS公司的 USB接口芯 片完成了 ADSL Modem的设计开 发工作。 1 ADSL 技术的基本原理技术的基本原理 ADSL 技术主要有两个特 点：第一，可以实现在一条长度 在 4千米以内（从市话交换局到 市话用户）的普通电话线上进行 下行最大 8Mbps、上行最大 640kbps 的不对称全双工通信； 第二，可以与普通的模拟电话共 存于一条线路上，以提高电话线 路的利用率，从而达到语音和数 字通信同时进行双互不干扰的目 的。 ADSL 的核心技术主要有复用技术及调制技术。 1.1 复用技术 复用技术是在铜芯电话线路上进行频带划分以建立多个频率信道，通常可以使用频分复用 （FDM）和回波消除（EC）这两种方式来实现。这两种方式除了对传送模拟电话信号的频带 都使用相同的 0-4kHz之外，技术上的差异主要在对剩余频带的处理上：FDM将铜芯电话线的 剩余频带划分成作为上行/下行信通的两个独立区域，上行信道由相应的低速信道用时分方法 组成，下行信道则由一个或多个高速信道加入一个或多个低速信道组成；EC则将剩余频带划 分成上行/下行信道两具重叠的区域，信道的组成和 FDM类似，但重叠的信号要靠本地的回波 消除器分离。EC方式由于信道的重叠而使得系统较为复杂，因此一般情况下应用 DMT 调制 技术较为方便。 1.2 调制技术 目前在 ADSL MODEM 中使用的调制技术主要有：QAM（正交幅度调制）、CAP（无载 波幅度/相位调制）和 DMT（离散多音调调制），由于 AD20msp910芯片集成采用的是 DMT 技术，因此这里讨论 DMT 的技术原理。 DMT 调制主要基于多载波调制技术，它是将 01.104MHz的带宽划分成 256个具有 4kHz带宽的正交子信道。每个子信道各自采用对应 于该子信道的中心频率进行调制，调制使用 QAM方 式且被调制的输入数据根据每个信道的传输能力在 015位/符号/Hz之间作自适应分配，当某个子信道 由于传输质量下降而影响了系统的纠错能力时，可以 用降低该信道的数据速率的方法来提高其它子信道的 传输率。 理论上，上行数据流的最大带宽为：25信道15 位/符号/Hz 信道4kHz=1.5Mbps。下行数据流的最大 带宽为：249信道15位/符号/Hz/信道 4kHz=14.9Mbps。但是在实际应用中，DMT 调制技 术的 ADSL 的速率与市话线路的长度、线径以及缆线 的铺设情况有较大关系，在市话线线径为 0.5mm、长 度为 2.7km时，下行速率为 6.1Mbps。 在 ADSL 技术发展初期，一台 ADSL Modem需 要多达 20多枚 IC。随着技术的进步，近年来，许多 IC厂家纷纷推出了新型的 IC套片，通常为 36枚 IC。Analog Device公司推出的 AD20ms910就是较有 的基于 DMT 调制技术的 ADSL 套片。该套片是目前该领域内具有最完整功能的 ADSL 解决方 案套片之一，完全符合 ANSI、ETSI和 ITU技术标准。该套芯片中的 AD6435收发器 （DTIR）用于提供 ADSL 套片的串行接口和 MODEM的其它部分；AD6436协处理机 （DEM）用来提供 DMT 技术所需的核心数字信号处理功能；AD6437模拟前端部分（AFIC） 是在一个芯征上组合了所 ADSL 模拟与混合信号操作，包括 A/D 转换器（ADC）和 D/A转换 器（DAC）、滤波器、放大器等；AD816线路驱动器则合并了线路驱动器、接收器、放大器 等所有的高速网络的基本单元；ADSP2183通用数字信号处理器用作系统控制器。利用该套片 所设计的 ADSL MODEM 系统结构框图如图 1所示。 2 ADSL 套片顺的芯片套片顺的芯片 2.1 串型接口芯片 AD6435 AD6435 是 ADI 公司 ADSL 套片中用于与计算机系统接口的芯片，用来实现全部的数字接 口作业；包括字位填充/剥离及弹性存储、同步以及 EOC和 AOC（这是一个超帧结构传输信息 的稳态控制协议）插入/切除、CRC 产生/检测、伪随机序列编译码器、前向出错矫正/检测、插 值/剔除等。该芯片有全双工入/出、单工入（仅用于 ATU-C）和单工出（用于 ATU-C）和单 工出（用于 ATU-R）等多种连接方式。 AD6435 的管脚从连接的接口对象上可以分成六个部分，即 ADSP2183数字信号处理机的 接口、TICL旁路接口、数据接口、控制接口、交叉存取 RAM接口和与 AD6436的接口。信号 的流向可以从管脚的流向标志上确定。AD6435的管脚接口功能结构如图 2所示。 数字信号处理机接口中的 A（13:0）为用于 DSP的 14位地址总线；D（15：0）为 16 位 字长的数据总线：DSP-CLK-DSP 为输出时钟；NRD、NRW、NCS 是分别用于 DSP 的 RAM读 /写及片选信号，低电平有效。 TICL旁路接口中的 RX-BUT和 TX_BUF 分别为收、发数据的缓冲连接 RX_FR和 TX_FR 分别用于收、发的帧同步；RFS 和 TFS 分别为字节收、发的帧同步；RX_SPFR和 TX_SPFR 分别为收发信号的超帧同步；RS_SPFR1为接收交叉存取超帧的同步信号；MCLK_OUT为时 钟输出，并可用作同步的基准信号。 数据接口共有两组，分别是双工状态和单工状态，单工状态时某些管脚是不用的。 DUPLX_RX 用于双工接收的数据汉、DUPLX_TX 用于双工输入的数据流、DUPLX_XLKO用 于还原双工时钟，DUPLX_CLKI 为输入双工时钟；SIMPLX_RX在 RT方式时接收下行数据 流，而在 CO 方式时该脚不用，SIMPLX_TX在 CO方式时输入下行数据流而在 RT方式时该脚 不用、SIMPLX_CLKO脚在 RT方式时还原下行数据流时钟而在 RT方式时用、SIMPLX_CLKI 在 CO方式时输入下行数据流而在 CO 方式下该管脚不用。（RT方式为客户端的 ADSL Modem，CO 方式端为数据中心的 ADSL Modem）。 控制接口的 MCLK主时钟信号为 35.328MHz。RT-NCO为运行模式选择端，RT方式时为 1，而 CO 方式时为 0，NRESET 为复位脚，低电平有效；TEST（4：0）除 TEST2、4通过 10k电阻接入信号地外，其余不接。 交叉存取 RAM接口中的 M-A（14：0）为 15位字长的交叉存取 RAM地址总线，M-D （7：0）为 8位交叉存取 RAM数据线；NM-OE 和 NM-WE分别为读、写使能信号线。 DME 接口用于连接 AD6435（DTIE）与 DMT 协处理机 AD6436（DME）；TX串型接口 部分使用以下信号：TX-DREQ DME 提供的数据请求、TX-FRM DME提供的发送帧选通、 TX-BS DTIR提供的发送字节选通、TX-SDATA DTIR发送的发送数据；RX 串行接口部分使用 的信号包括：RX-FRM DME 提供的接收帧选通、RX-BS DME 提供的接收字节选通、RX- SDATA 由 DME 发送的接收串行数据、RX-DREQ 由 DTIR产生的接收数据请求等；TX-RX- SCLK 则是由 DME 产生的发送/接收串行时钟，该时钟可作为发送与接收的公用时钟。 2.2 DMT 协处理机 AD6436 AD6436 是一个专用的 DMT 加速器，用于完成数据传输与收发中的各种操作，如 QAM 编解码、IFFT、滤波器、插值等。 AD6436 芯片是一个中间芯片，其管脚分类较为简单，分为与 AD6436的接口、与 AD6437的接口和与 DSP的接口三个部分。AD6436的管脚分布如图 3所示。 与 AD6435 接口中的 TX-DREQ（RX-DREQ）用于 TX（RX）串行口的数据请求；TX-BS （RX-BS）则用于 TX（RX）串行口的字节选通；TX-SDATA（TX-SDATA）为 TX（RX）串 行口的串行数据；TX-FRM（RX-FRM）为 TX（RX）串行口的帧脉冲；TX-RX-SCLK为 TX （RX）串行口的串行时钟；MCLK 为芯片的主时钟（35.328MHz）；RT-NCO为模式控制管 脚，为 1时为 RT模式，为 0时为 CO 模式；NRESET 为复位端，低电平有效。 AD6437 接口的几个接口管脚主要是与 ADSL 模拟部分 AD6437中的 ADC 及 DAC进行接 口，其中 TX（15：0）为送入发送 DAC的 16位输出；RX（15：0）为来自接收 ADC的 16位 输入；TX-CLK 和 RX-CLK 分别是用于发送与接收 D/A、A/D的限定有效数据的输出时钟。值 得注意的是，虽然两个数据接口都是 16位的，但是 AD6437本身的接口位数却较少，在实际 应用中，这些管脚应根据实际需要接地或接高电平。 DSP 通过 DSP 接口对 AD6436芯片进行存取。接口管脚主要有：14位的地址总线 A （13：0）、16位的数据总线 D（15：0）、控制管脚 NRD（读）、NWR（写）和 NCS（片 选）等。 2.3 模拟前端芯片 AD6437 AD6437 芯片用于 ADSL 系统与模拟电话线路的接 口，包括用于将数字与模拟信号互相转换的高速 AD、DA 部分以及用于改善信号特性的使用与 ATU-C及 ATU-R模 式的可编程滤波器。该芯片内部电路的模拟设计灵活，可 以编程使用或旁路。这种可变功能使该芯片也可以用于其 它 ADSL 应用系统或仪器控制系统。 AD6437 的引出脚按其功能可分四个主要部分：发送 通道、接收通道、辅助及支持电路、接口与控制逻辑。图 4所示为其功能结构图。 发送通道中的 TX（13：0）用于将数据发送到 DAC；TX-CLK 为 DAC的数据锁存时钟； 在 TX-FSADJ 脚上的连接电阻可确定发送 DAC的电流输出范围，TX-COMP 及 TX-IBIAS 为电 路内部节点的耦合管脚；TX-DACOUTA,B为互补电流输出管脚，TX-FILINA,B及 TX- FILOUTA，B为发送能道低通滤波器的差分输入及输出。 接收通道中的 RX11:0是来自 ADC 的数字输出；RX-CLK为 ADC输入采样时钟 RX- PGA-INA,B是 PGA 的差分输入脚；RX-AAF-OUTB,A为抗消除混叠滤波器的差分输出管 脚；RX-ADC-INA,B为 ADC的差分输入、RX-VRE 是 AD6437输出的外部参考电压；RX- REFB,T为 ADC参考电压的耦合管脚。 辅助电路引脚 TR-DAC-OUT是来自时标修复 DAC的电压输出引脚。 接口与控制逻辑管脚都是输入管脚，主要用于控制处理机送出的信号与数据。 3 MODEM 中使用的其它芯片中使用的其它芯片 在 AD20msp910 配套芯片中还有如用于数字信号处理 ADSP-2183和线路驱动/接收放大器 AD816等配套芯片，但这些芯片均可用其它类似的芯片来代替。下面对 ADSL MODEM中使 用较为重要的芯片简单地加介绍。 3.1 数字信号处理机 ADSP-2183 ADSP-2183 是 ADI 公司生产的单片型微算机。为了适应数字信号处理（DSP）和其它的 高速数值处理的应用，该器件的系统结构进行了优化。 它是将广泛应用的 DSP系列产品 ADSP-2100 的核心部分与传统的微处理机结构结合而 成，因而具有计算高速、应用灵活的特点。特别适合于在通讯设备中使用。其主要特点如下： （1）与 ADSP-2100系列 DSP 的指令代码兼容，同时扩展了指令集，可提供许多灵活的 控制及多功能运算指令，所有的指令都可以在一个处理机周期内完成操作。ADSP-2183 在三总 线系统结构的配合下，允许其用并行方式在单指令周期内进行多操作数存取。在 3.3V 的电 源、26.32MHz晶振条件下，每一指令周期为 25ns，因此处理机的运算速度可达 52MIPS。 （2）具有 80k字节的在片 RAM，可配置为 16k 字（24位）在片程序 RAM和 16k字（16 位）在片数据 RAM。掉电电路可以提供低功耗的 RAM电池支持。具有 4M字节的存储器接口 能力，可以存储较大的数据表及程序，同时程序存储器可以作为程序/数据双用途存储器。 （3）ADSP-2183 具有独立的 ALU、乘法器/累加器（MAC）和移位计算单元，可以对 16 位数据直接运算。ALU 可执行标准的算术及逻辑操作；MAC用于执行乘法及带有 40位累加 乘法/加、乘法/减操作；移位计算单元则用来执行逻辑与算术移位、指数导出等操作，该移位 单元还可有效地用于实现数值格式的控制，包括浮点表示的多字及块数据。内部结果（R）总 线可以将运算结果直接送往需在下一个机器周期送达的任意输入或输出单元。处理机有两个独 立的数据地址产生器，并具有 0溢出循环和条件指令 执行的功能强大的程序序列器。由此可见，该处理机 的硬件结构保证了处理的高性能。 （4）具有 16位可编程/可预置计时器和 6个外 部中断；特点是具有可编程的特征管脚，因而具有灵 活的系统信号能力。 （5）16位的内部 DMA 口可用于高速存取片内 RAM中的内容，对程序和数据存储器，还提供有对 用户透明的 8位 DMA 能力。 （6）该处理机还具有较强的外围接口能力；I/O破例接口带有 2048个位址以支持并行外 部器件而且 I/O的位址空间与程序存储器的空间是分开的，这样可简单化用户的外围设计；另 外，ADSP-2183还提供两个双缓冲串行口，具有自动数据缓冲能力，用于扩展外部硬件连接十 分方便。在进行的 ADSLMODEM的设计中，笔者就利用了这一特点来简单化接口。 3.2 USB接口芯片 USB（通用串行总线）技术是一种新型的外部接口技术，其最大特点是可提供极高的速率 （目前最大速率可达 12Mbps），因而解决了用户外部设备接入计算机时的复杂而又繁琐的配 置问题。并提供了利用级连方式接入各种不同外部设备的统一接口，从而大大地缓解了主机与 外部设备之间长期存在的配置困难问题。 在 ADSL MODEM（RT）与计算机的连接方式中，可以用内插（PIC卡）或外置（网络或 USB连接）等多种选择。由于 ADSL 是一种高速接入设备，具有 USB连接速率高、接插灵 活、用户可选的特点。因此，笔者将该 MODEM设计为外置 USB连接方式。同时根据适用性 广、设计灵活、应用便捷、价格合理的选择原则确定使用 CYPRESS 公司的 EZ-USB微处理机 结构、USB收发器、串行接口引擎（SIE）的单片型 USB接口芯片。 4 ADSL MODEM 的应用设计的应用设计 在 ADSL MODEM设计中有两个重要的环节，软件的设计和与市话线接口的数字/模拟混 合电路的设计，这两个方面的设计是关系到 ADSL MODEM 性能的关键。由于涉及内容较 多，这里只能简要地作一介绍。 4.1 MODEM 软件的设计 一个性能良好的 ADSL MODEM除了器件提供的强大功能外，还要对器件的工作状态进 行检测，对各相应的器件内部寄存器进行设置，对器件进行初始化处理，算法的 DSP 编程、 实现、控制及配置以及硬件的驱动等。因此软件的重要性是不言而喻的，该 MO