无论采用哪种调制方案，设计人员在构建VDSL模拟前端时都要面对失真、BER性能、功率电平等问题。下面我们谈一下设计人员必须考虑的主要问题。

作者：Randy Stephens，德州仪器

ADSL 技术已经大获成功，其用户数量有望在未来几年中保持继续增长。但是，在用户要求更高速度的呼声中，许多人相信VDSL将成为有线数据通信发展的新目标。

与ADSL类似，VDSL必须采用模拟信号与外部世界通信。而且，无论最终采用哪种线路编码方案（QAM或DMT），VDSL都会面对与ADSI一样的、复杂的模拟接口问题。

本文中，我们将探讨在开发VDSL前端时设计人员必须解决的模拟接口问题。在讨论过程中，我们将了解误码率 (BER) 要求、噪声及失真等等。我们先从讨论VDSL线路驱动器要求开始。

定义线路驱动器要求
VDSL将频谱分成5个不同的频带，如图1所示。与不平衡的 ADSL 频率相比，它极容易获得对称的数据速率。即使线路条件与服务提供商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。另外，应由各个制造商来根据需要决定使用2个、3个、4个还是5个频带。因此，其使我们能够根据电话公司可以提供的服务选项非常轻松地定制数据速率。

无论采用哪种数据泵、数据转换器以及滤波功能，信号都必须采用模拟放大器在时域中进行传输。图2说明了一个采用1:1变换比率的电路配置实例。

图2所示的电路采用传统终接技术，以实现简单性。这种配置在ADSL中得到了广泛应用，而且基于配置的不同特性已经证明其非常有效。这种配置的优势包括通过变压器加倍电压、偶阶谐波消除、以及在整个系统保持的内在平衡信令。

功率电平问题
针对T1.424的VDSL标准草案规定，对于采用100欧姆线路的中心局 (CO) 部署中的上行及下行信号，线路的最大功率电平不能超过 +14.5dBm。对于机柜部署，下行电平限制到+11.5dBm，而上行限制到 +14.5dBm。相比而言，ADSL允许 +13dBm上行和 +20dBm下行。ETSI 标准规定，采用135欧姆线路时，所有条件下最大电平均为 +11.5dBm。

VDSL的一个优点是其标准允许系统采用与ADSL在25kHz～1.1MHz的ADSL频率范围内相同的 -40dBm/Hz功率频谱密度 (PSD) 电平进行传输。在超出1.1MHz时，限值一般为 -60dBm/Hz，但是某些掩码允许在高达12MHz频谱中的某些点达到 -50dBm/Hz。其好处是VDSL可以在与ADSL相同的距离内实现相同的数据速率，另外还能够大大提高短距离环路的速率。

将这些功率电平结合到电压和电流中是首要任务。对于 T1.424和100欧姆负载而言，+14.5dBm意味着 1.68Vrms的电压，+11.5dBm意味着1.19Vrms。而对于ETSI标准来说，+11.5dBm则意味着1.38Vrms的电压。利用这些值，下一步是考虑就峰值电压和电流方面而言，线路驱动器放大器必须提供那些功能。

但是，上述值与均方根 (rms) 值相去很远。与ADSL一样，当在时域产生多个音频时，会出现一个高的峰值。为了使误码率 (BER) 低于标准规定的1′10^-7 水平，必须尽可能减少削波 (clipping)。

为了定义所允许的削波值，一般可定义系统的振幅因子或峰值平均值比 (PAR)。大家对正确的PAR经常争论不休，而且每个厂商根据结合了PAR降低的代码实现规定了不同的PAR值。典型PAR值的范围介于从15dB到DMT系统的18dB。

BER与变压比要求
对于模拟线路驱动器设计来说，必须利用峰值电压和电流确保达到BER要求。因此，必须选择相应电源来支持峰值输出电压与放大器自有内部空间 (headroom) 和部分安全裕度。对于大部分放大器，此空间至少是2V。

请记住，这是动态空间，而非静态或DC 空间。另外，放大器推动的电流在驱动峰值电压时也是最大值。这就是说，放大器的数据表并未提供选择正确放大器所需要的全部信息。

线路驱动器放大器输出要求的另一个要素是变压比。较低的比率，如：1:1，可以在系统中实现最多的接收信号。另外，它对系统的噪声要求也最低。

由于VDSL涉及的超高频率，加上双绞铜线的衰减特性，实现最多的接收信号 -- 即最低的变压比--一般可以达到非常好的的接收数据速率。如上图2所示，PAR为16.9dB、产生 +14.5dBm 线路功率的1:1变压器需要线路驱动器产生11.8Vp (23.6Vpp) 的峰值输出电压与118mA的峰值输出电流。由于变压器反映的有效负载等于 R_Line/N²，rms的要求非常适中，为1.68Vrms和16.8 mArms。

另一方面，利用较高的变压比，如：1:2，允许线路驱动器采用较低的电源。较低的电源会产生较低的功耗。但是，现在噪声需求较难以满足，而且接收信号会以相同比率减少。另外，线路驱动器的输出电流以同样的变压比增高。

利用前面的同一个例子，线路驱动器现在需要产生 5.9Vp (11.8Vpp) 的峰值输出电压与 235mA的峰值输出电流。要知道，线路驱动器必须在高达 12MHz 的频率才能达到这些值。在低失真情况下控制上述电流值极难实现。

表1说明不同标准对线路驱动器放大器的影响。表中提供了ADSL水平，以供对比。请注意，这些数值并未考虑变压器损耗，其在整个频谱中一般为0.2dB～0.5dB。

表1：线路驱动器放大器输出要求对比

在研究表1所示的放大器输出要求时，需要在线路功率值中加上插入损耗，以求出累加功率损耗。例如，如果插入损耗是0.5-dB，则放大器需要在其输出产生等效的 +15-dBm功率电平。这要求放大器在采用1:1变压器情况下必须产生12.45Vp峰值电压和124.5mA峰值电流，以便在线路上产生 +14.5dBm（假定变压器插入损耗为0.5dB）。

噪声要求
线路驱动器噪声是系统的另一个主要问题。放大器会在整个频谱而不仅仅是在发射频带产生噪声。这种噪声会在接收频带存在，由混合电路阻止线路驱动器的信号和噪声进入接收通道。

但是，由于不受控制的线路条件，混合电路一般只能将发生信号与噪声抑止到6～20dB。基本的经验法则是假设只抑止了6dB，但是某些情况下很糟糕，可能会是0dB。这就是说，线路驱动器产生的任何噪声都会通过接收通道与6dB的抑止耦合。

需要达到 -140dBm/Hz 的系统线路噪声目标。这意味着放大器的总差动输出噪声不能超过 -140dBm/Hz + 20log (2/N) （其中，N是传统系统的变压比，如图3所示）。

为了达到100欧姆系统中的 -140dBm/Hz 噪声目标，线路驱动器的差分输出噪声在 1:1 变压器情况下不能超过 63 nV/ √Hz，在 1:2 变压器情况下不能超过 31.6 nV/ √Hz。这并非可以简单达到的数值，因为输出噪声受放大器增益、电压噪声、电流噪声和电阻值之间的影响7。

由于发射信号所涉及的速度，电流反馈 (CFB) 放大器是首选的线路驱动器。其旋转速度一般能超过2000V/μs，没有电压反馈 (VFB) 放大器那样的增益带宽限制，而且在增益大于3情况下使用时具有相对较低的噪声。

失真处理
线路驱动器放大器必须考虑的下一个问题是失真。多音功率比 (MTPR) 在ADSL出现一开始就是个纠缠不休的问题。理论来说，与谐波失真相比这算个"客气的"要求，因为可以产生成百上千个音频。

可以把MTPR看作与第三阶互调失真 (IMD3) 测试相同的东西，但是是一种极限。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。牢记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，放大器会相应放大它。

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，许多VDSL系统为10位。但是，由于需要更高的数据速率，其预计会很快提高到至少12位并最终达到14位。对于12位系统来说，MTPR是 56dB，而14位系统则要求62dB的 MTPR。

但是，3B + 20这种要求的问题是，已经反复证明了ADSL中只有52～54dB的MTPR能够显示出足够好的性能。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。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。

接收频带溢出
另一项对线路驱动器意义更大的失真测试是接收频带溢出。唯一的问题是在厂商的数据表中一般找不到这种规格。

图4 说明采用下行放大器情况时这种测试的概念。基本上这种测试可以在发射频带产生所有音频，与MTPR测试一样。尽管可以采用个别音频，如用于MTPR的音频，它是极其困难的试验，在实际系统环境中很难实现。相反，非常好的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的失真量。

如果线路驱动器在接收频带产生失真，它会较高提升接收频带的噪声水平。正如由于较差的混合抑止，实现很低的线路驱动器输出噪声很重要，接收频带失真同样重要。这种失真的主要影响是降低接收数据速率和距离。

VDSL极需要达到优于 -68dBc的接收频带失真水平。相比而言，对于接收频带一般介于 25kHz～138kHz 的 ADSL 来说，接收频带失真应优于 90dBc，以实现较好的接收数据速率和较长的线路距离。

有些人可能会认为 -68dBc 不够好，尤其是与ADSL对比下。但是，考虑到10倍的带宽 - 12MHz 比1.1MHz 以及所采用的10倍的音频数量，实现这种接收频带失真已经是线路驱动器的巨大挑战。再考虑到低噪声要求、高信号增益、驱动超过100mA峰值电流的需求，设计任务变得更为艰巨。同样，CFB放大器也是满足失真要求的首选。

从ADSL失误中学习
VDSL可以充分利用ADSL的发展及教训。ADSL的一个主要问题是中心局 (CO) 的功耗。尤其是在CO需要在线路中提供 +20dBm并且在单个PCB中设置72条线路时。为了解决这个问题，ADSL现在采用同步阻抗或有源阻抗。这种技术可有效降低后端终接和接收来自线路的入局信号所需的串联电阻值。

采用有源阻抗的优势是可以相应降低电阻上的信号损失。线路驱动器的输出电压然后可以随电源电压降低而降低。这可以将功耗降低 50％。

这种阻抗技术的缺点是大大减少接收信号。对于VDSL来说，由于其接收信号频率很高而且具有来自线路的最大衰减，该技术非常危险。如果采用主动终接，应该保持适当小的合成因子--原始电阻值与新电阻值的比率。ADSL系统目前采用4～10的合成因子。相比而言，VDSL应尽量采用不超过2或3的合成因子，除非特殊情况或短距离系统需要。

总结
VDSL仍然在变化不定，其调制方案也在选择中。无论哪种调制方案胜出，定义线路驱动器仍然会面对同样的基本问题。线路驱动器的要素仍然是低输出噪声、超低失真--尤其是接收频带中、在12MHz驱动高电流的能力、以及低功耗。采用低变压比是实现接收性能目标的必然要求，其一般情况下需要高到 +/-15V 的电源电压。

即使采用一定量的主动终接，为了有助于保存功率，仍然要求采用大型电源来实现VDSL系统所要求的高接收数据速率和长距离。这并非易事，但是最终可以实现。

          转载于:http://www1.ti.com.cn/customer/article/2004/06/0607_3.asp