xDSL標(biāo)準(zhǔn)對(duì)芯片制造商提出巨大挑戰(zhàn)

DSL 技術(shù)在過去十年間獲得長(zhǎng)足發(fā)展，ADSL、ADSL2+、VDSL 及 VDSL2 等多種新的技術(shù)在視頻、語音及數(shù)據(jù)應(yīng)用中的表現(xiàn)遠(yuǎn)勝于現(xiàn)有電話銅線技術(shù)。

新型 DSL 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)極大提高了數(shù)據(jù)吞吐能力，可滿足多路高清電視（HDTV）信號(hào)傳輸?shù)汝P(guān)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(jīng)開始或者正在考慮利用其中一種 DSL 技術(shù)提供三重播放業(yè)務(wù)。而這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施也向芯片設(shè)計(jì)師提出了更高要求。

1999 年 6 月，國(guó)際電聯(lián)電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T） 制定了 ADSL 標(biāo)準(zhǔn)，銅線寬帶業(yè)務(wù)開始在全球大眾市場(chǎng)部署，到 2000 年其用戶已達(dá) 500 萬。ITU-T 為 ADSL 標(biāo)準(zhǔn)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(gè)相同帶寬的子通道，通過正交幅度調(diào)制（QAM），每個(gè)子通道最多可調(diào)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(fù)用（FDM）技術(shù)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(wù)

　　在推出ADSL服務(wù)的同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商也在考慮如何利用現(xiàn)有銅線技術(shù)提供語音及視頻服務(wù)。于是ADSL2+標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)應(yīng)而生，該標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)速率、覆蓋范圍、速率自適應(yīng)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(dá)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(kuò)展低端頻譜使上行數(shù)據(jù)速率達(dá)到1 Mbps 左右。ADSL每幀采用固定的 32kbps 的數(shù)據(jù)速率開銷，而ADSL2+可降至4kbps，從而使有效負(fù)載數(shù)據(jù)傳輸速率提高了28kbps。ADSL2+ 通過增大交錯(cuò)深度（interleaver depth）及提供更靈活的組幀參數(shù)（每 DMT 符號(hào)的編碼字?jǐn)?shù)）降低開銷并提高了編碼增益，因此增強(qiáng)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(jī)的改進(jìn)使數(shù)據(jù)傳輸速率得到有效提升，電信運(yùn)營(yíng)商也可借此修正上下行頻帶。

　　據(jù) DSL 論壇統(tǒng)計(jì)，截至 2005 年 3 月全球 DSL 用戶數(shù)量已達(dá) 1.07 億，占寬帶用戶總數(shù) 60％。其中大部分采用ADSL 技術(shù)，ADSL2+也逐漸得到推廣；但對(duì)在提供語音及數(shù)據(jù)服務(wù)的同時(shí)采用多通道傳輸 HDTV 或普通 TV 信號(hào)的需求則是推動(dòng)VDSL 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的動(dòng)力。

　　VDSL于2003 年獲批作為短環(huán)路應(yīng)用解決方案，此前這種應(yīng)用通常使用光纖技術(shù)為小區(qū)提供遠(yuǎn)程數(shù)字用戶專線訪問多路復(fù)用器 （DSLAM） 支持，需要將兩個(gè)現(xiàn)有本地環(huán)路聯(lián)在一起。VDSL 的上下行傳輸使用多個(gè)頻帶，為高速數(shù)據(jù)傳輸及上下行數(shù)據(jù)對(duì)稱提供了更大靈活性。

VDSL2 的問世

　　VDSL2 標(biāo)準(zhǔn)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(wù)。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(xiàng)及頻帶方案，能夠滿足服務(wù)供應(yīng)商各種需要。該標(biāo)準(zhǔn)最多可使用 4096 個(gè)相互間隔 4kHz或 8kHz的 DMT 子載波來傳輸上下行數(shù)據(jù)；同時(shí)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(nèi)可以為用戶提供高達(dá) 100 Mbps 的對(duì)稱數(shù)據(jù)速率。但當(dāng)距離超過 3500 英尺時(shí)，上下行傳輸數(shù)據(jù)速率降至 ADSL2+ 的水平甚至更低。

　　各大電信運(yùn)營(yíng)商采用了不同的戰(zhàn)略來提供三重播放業(yè)務(wù)。Verizon 及 NTT 等公司正在積極推進(jìn)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(shè)投入大量資金。AT&T 已開始啟動(dòng)U-verse 業(yè)務(wù)，即將光纖鋪設(shè)到小區(qū)，然后使用 25 Mbps 的 VDSL2 解決入戶問題，支持兩個(gè)高清或標(biāo)清視頻信號(hào)的傳輸，該公司正在全力推進(jìn)此業(yè)務(wù)并計(jì)劃到 2006 年底擴(kuò)大到 15 個(gè)市場(chǎng)。而德國(guó)通信公司（Deutsche Telecom）開始放慢部署 VDSL2，并告知該業(yè)務(wù)的普及比預(yù)期要慢。

XDSL 處理組件

　　目前，大多數(shù)主力 xDSL 芯片制造商都在設(shè)計(jì)符合 ADSL2+ 及 VDSL2 等所有主要 DSL 標(biāo)準(zhǔn)的單芯片。由于 VDSL2 的數(shù)據(jù)傳輸速度比 ADSL2+ 高出很多，這無疑對(duì)芯片制造商提出了巨大挑戰(zhàn)。xDSL 芯片包含三個(gè)基本處理組件：模擬前端、數(shù)據(jù)泵和網(wǎng)絡(luò)處理模塊。

　　模擬前端 （AFE） 包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）、線路驅(qū)動(dòng)器（LD，作用為高功率放大器）及模擬濾波器，實(shí)際上是負(fù)責(zé)接收、預(yù)處理并隨后在 RX 通路中對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。在TX通路中，AFE將數(shù)字采樣轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并進(jìn)行后處理，然后使用LD將信號(hào)差動(dòng)耦合至雙絞線環(huán)路。

數(shù)據(jù)泵提取RX模擬信號(hào)的數(shù)字采樣，并使用各種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)使其盡量接近傳輸格式，隨后對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并對(duì)所提取的信息位進(jìn)行解碼。在TX通路中，數(shù)據(jù)泵將信息位進(jìn)行編碼，然后調(diào)制為DMT碼元，經(jīng)過數(shù)字濾波后將數(shù)字采樣傳輸?shù)?AFE。

　　網(wǎng)絡(luò)處理模塊按照 DSL 數(shù)據(jù)鏈路及網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)碼元分組打包。

芯片設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)

　　將上述三種模塊從 ADSL2+ 升級(jí)至雙 A/VDSL2會(huì)給芯片設(shè)計(jì)師帶來很多困難。

　　VDSL2 AFE的設(shè)計(jì)（尤其是30 MHz VDSL2）十分困難，在所需的最大輸出功率及最大運(yùn)行頻率下很難達(dá)到LD失真及線性規(guī)范。同時(shí)，17MHz或30MHz VDSL2模式下ADC/DAC的高采樣速率意味著采樣的動(dòng)態(tài)范圍及線性位數(shù)量可能影響AFE性能。一般情況下，由于環(huán)路長(zhǎng)度較短，VDSL2所需動(dòng)態(tài)范圍小于ADSL。另外，當(dāng)模擬RX及TX濾波器工作在較高頻率下尤其是當(dāng)濾波器集成在 AFE/LD 芯片中時(shí)，寄生效應(yīng)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(diào)制架構(gòu)，許多模塊可以支持這兩種模式。VDSL2 的數(shù)字信號(hào)處理量比 ADSL 大的多，原因是采樣傳輸?shù)綌?shù)據(jù)泵的速率大幅度增長(zhǎng)。但從數(shù)學(xué)角度而言，用于防止通道損壞、消除回聲及幀/定時(shí)同步等信號(hào)處理算法要比 ADSL 簡(jiǎn)單許多。

　　網(wǎng)絡(luò)處理器相當(dāng)于多功能路由，通常包括 ARM 或 MIPS 內(nèi)核等可編程平臺(tái)，同時(shí)還能用作 IP 及數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)平臺(tái)靈活性的最大挑戰(zhàn)在于網(wǎng)絡(luò)處理器處理功率和內(nèi)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(yùn)營(yíng)商的反應(yīng)以避免冒進(jìn)。其中一些方案支持所有寬帶的 VDSL2 模式（最高達(dá)30 MHz），另外一些則支持最高為 8.5MHz或 17.7MHz。如采用VDSL2 技術(shù)，運(yùn)營(yíng)商需要為光纖鋪設(shè)及在小區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)程終端的安裝方面投入巨額資金。目前看來，VDSL2將在 12個(gè)月~24個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)高銷量。

小區(qū)網(wǎng)關(guān)集成 XDSL 芯片

　　在小區(qū)網(wǎng)關(guān)（RG）集成xDSL芯片則無需處理關(guān)鍵組件與其它設(shè)計(jì)間的接口問題。目前，組件生產(chǎn)商開始推出設(shè)計(jì)完整、文檔齊全、具有所需的所有接口的開發(fā)板。由于簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)任務(wù)，并且其建立的 DSL RG 可以滿足市場(chǎng)對(duì)視頻帶寬、服務(wù)質(zhì)量 （QoS）、脈沖噪聲保護(hù)（INP）等要求，該開發(fā)板將有助于拓展 DSL RG 市場(chǎng)。

　　要在整個(gè)家庭內(nèi)進(jìn)行廣播級(jí)視頻傳輸，RG 必須集多種有線與無線技術(shù)、安全特性和 QoS于一體，支持最新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如現(xiàn)有的 802.11g 及新的 802.11n 標(biāo)準(zhǔn)；此外還應(yīng)支持以太網(wǎng)、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(huì) （Universal Powerline Association）等各種有線組網(wǎng)技術(shù)。

　　半導(dǎo)體廠商正在對(duì)上述要求做出積極響應(yīng)，努力提供高性能、高靈活度、實(shí)用性強(qiáng)的開發(fā)平臺(tái)來滿足服務(wù)供應(yīng)商的各種需要。典型功能集應(yīng)包括多處理器及各種本地局域網(wǎng) （LAN） 接口；多處理器專用于不同的業(yè)務(wù)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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了具有差異化增值服務(wù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)品的靈活開發(fā)。

　　UR8的多媒體網(wǎng)關(guān)處理器及其互補(bǔ)內(nèi)存控制器負(fù)責(zé)控制及操作系統(tǒng)的運(yùn)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(wǎng)（WAN）。UR8中專門配備了負(fù)責(zé)VoIP 的第三方 DSP，以確保該架構(gòu)可支持高質(zhì)量、高可靠性的語音通信。

　　UR8 VoIP 子系統(tǒng)架構(gòu)靈活，支持多個(gè)有線及無線 CODEC，在處理多達(dá)4個(gè)～8個(gè)電話時(shí)不會(huì)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(shù)據(jù)流，其同時(shí)也支持所有ADSL 模式（ADSL2+ ）。

　　DSL 技術(shù)的快速發(fā)展給芯片廠商帶來巨大挑戰(zhàn)。困難在于設(shè)計(jì)新一代能夠處理所有 ADSL 及 VDSL的集成電路時(shí)，也必須對(duì)AFE、數(shù)據(jù)泵及網(wǎng)絡(luò)處理器模塊進(jìn)行升級(jí)；在滿足高性能的同時(shí)，為了節(jié)省片上空間要盡量重復(fù)使用支持 ADSL 與 VDSL 標(biāo)準(zhǔn)的模塊，尤其對(duì)于 30 MHz VDSL2 模式更是如此。隨著支持所有 xDSL 標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)中，從而加速推出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出消費(fèi)者、服務(wù)供應(yīng)商及設(shè)備制造商的期望的低成本產(chǎn)品。這些架構(gòu)使設(shè)備制造商可以靈活開發(fā)支持多種家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的 RG，以實(shí)現(xiàn)在支持多個(gè)話音呼叫及增值服務(wù)的同時(shí)傳輸多路 HDTV 視頻流。