电缆调制解调器(cable modem)、xDSL和无线电固网(fixed wireless)是目前提供宽带服务与应用给家庭的主要技术。这些技术都具有一个共同点:它们都能提供高效率的带宽,也因为如此,才能使宽带服务的梦想成真。
这些技术虽然都使用数字技术来达成,但是,不可避免的,还必须用到属于模拟技术的接收机和发射机透过「媒介」(例如:缆线、电话线、空气)来传收信息。「模拟前端」(analog front end;AFE)是由纯模拟电路和数字模拟混合电路构成的,它负责执行许多任务作,包含:讯号抓取(signal capture)、模拟滤波(analog filtering)、数字模拟转换(DAC)、模拟数字转换(ADC)、功率放大。这些工作对调变解调器或调制解调器(modem)而言是非常重要的,所以如何设计出高效能和高质量的「模拟前端」成为所有宽带撷取(broadband access)技术的关键。
虽然,每种宽带撷取技术的传输媒介不同,但是,它们在某些地方是类似的。(表一)是电缆调制解调器、xDSL和无线电固网在频率、调变和多任务存取方式的比较。其中,DSL局端(headend/CO)的一条专线只能提供给一个用户使用;而不同于调制解调器和固网的一条专线可以提供给2000个(最多)用户使用。
当所有的宽带撷取技术都使用「模拟前端」后,各种解决方法和需求就纷纷出笼了。
表一 电缆调制解调器、xDSL和无线电固网的标准规格比较表
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Cable
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ADSL
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FIXED WIRELESS
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Downstream
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Upstream
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Downstream
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Upstream
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Downstream
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Upstream
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Physical Medium
Interface
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Coaxial Cable
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Twisted Pair
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Air
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Frequencies
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88MHz- 860MHz
U.S. DOCSIS
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5MHz-42MHzU.S. DOCSIS
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164kHz- 1.1MHz
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26kHz-138kHz
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2.5GHz Typical
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Modulation Type
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64-256QAM64QAM
(From DOCSIS 2.0)
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QPSK-16QAM
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DMT
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QPSK-256QAM
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QPSK-16QAM
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Bandwidths
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64 MHz |
200kHz-6MHz |
100kHz-1MHz |
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6MHz |
200kHz-
6MHz |
TypicalResidential
Data Rates
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<1.5Mbps
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64Kbps~512Kbps
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<1.5Mbps
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128Kbps~
512Kbps
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<1.5Mbps
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64Kbps~
512Kbps
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Theoretical Data Rates
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<40Mbps
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<10Mbps
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<12Mbps
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<1.2Mbps
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<40Mbps
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<10Mbps
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Duplexing Scheme
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FDM
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FDM-TDM
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FDD
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FDD or TDD
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#Of Users perHeadend/Central
Office Port
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1-2000(Shared Medium)~
1000typical downstream,
~200typical upsrteam
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1(Dedicated Line)
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1-2000(Shared Medium)
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Primary Standards
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DOCSIS,Euro-DOCSIS,DVB/DAVIC
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ITUG.992.1(AnnexA,B,C),
G.992.2
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BWIF(specifications listed above), 802.16
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DSL「模拟前端」的最新设计方法
不管是局端DSLAM的模拟前端,或者是客户端(customer premises equipment;CPE)的模拟前端,它们的核心都是由一个发射机和一个接收机构成的。发射机是由一个数字模拟转换器、模拟滤波器和线路驱动器(line drivers)构成的。接收机是由前端放大滤波器(preamp filters)、可程序增益放大器(programmable gain amplifier)、模拟数字转换器构成的。设计发射机必须遵守两个法则来调整频谱密度(shape spectral density):
- (1) 遵照ITU标准的限制。
- (2) 将由发射波反射造成的接收端的回音(echo)噪声降低。
接收机必须能处理因多用户回路所造成的回音噪声问题。此外,发射机必须能降低DSP的运算负荷,将最小的IFFT数据输出到模拟域,而且讯号不会受滤波影响。为了传送数据以外的讯号,发射机会调整「异波道(out-of-band)」功率频谱密度(power spectrum density;psd)使其遵守ITU或FDD的数据接收机标准。为了达到这个目标,目前最常使用的设计方法是:插入可得到最小IFFT输出的采样率(sampling rate)。其优点是:降低对DSP的依赖、降低DSP和CODEC间的I/O数据传输、可以在数字插入滤波器(digital interpolation filter)中调整功率频谱密度,进而降低模拟滤波器的级数(the order of analog filter)。
典型的发射机内部讯号路径(signal path)是经过一个数字插入滤波器、一个超取样(oversampled)DAC和一个低级数连续时间(low-order continuous-time)模拟滤波器。
接收机的工作是尽量降低回音噪声,且不能使讯号失真,要尽量将频带内的ADC输入讯号放大,并且不用削波(clipping)。设计方法是:采用混合电路(hybrid circuit),消除复制的发射讯号,且将不属于接收频带内的回音能量滤除。当回音能量被滤除后,可程序增益放大器就将剩余的期望讯号放大,其频率须在ADC输入范围内。
整合
因成本考虑,能将各种组件整合在一起是AFE成功的关键。目前AFE供货商,例如:TI,计划将高速的线路驱动器、接收放大器、各种增益电阻、滤波器、和其它被动组件整合在同一芯片中。整合后,外部离散组件数量将减少一半。这对局端设备,例如:DSLAM(DSL access multiplexer)或DLC(digital loop carrier)而言,将可以增加回路卡(line card)数量,从4或8个信道,增加到16至64个信道。这可让电信业者(DSL service providers)节省设备的放置空间和减少20%的耗电量。
结语
宽带撷取技术除了「模拟前端」以外,还有数字信号处理器(DSP)和CPU。目前已有DSL芯片设计商将DSL处理器(DSP)和CPU整合成单一芯片;不过要再将「模拟前端」整合进单一芯片中,则须视制程技术、市场需要和价格而定。