多种 XDSL 标准对芯片制造商提出巨大挑战

DSL 技术在过去十年间获得长足发展，ADSL、ADSL2/+、VDSL 及 VDSL2 等多种新的技术标准在视频、语音及数据应用中的表现远胜于现有电话铜线技术。许多电信公司已经开始或者正在考虑利用其中一种 DSL 技术提供三重播放业务，因为其投资比采用光纤入户的成本低得多，而且新型 DSL 技术标准极大提高了数据吞吐能力，可以满足通过铜线传输多路高清电视 (HDTV) 信号等关键需求。由此一来，实施这些技术标准的任务便落到了芯片设计师身上，必须确保最新 VDSL2 标准比前代 ADSL/2+ 标准传输数据的速率高出很多。本文将介绍上述技术的发展情况以及芯片设计师在实现新型 VDSL2 标准方面的进展。

DSL 技术近十年取得了巨大的进步。1999 年 6 月，国际电联电信标准化部门(ITU-T) 制定了 ADSL 标准，铜线宽带业务从此开始在全球大众市场部署。ITU-T 为 ADSL 标准选择了离散多音频 (DMT) 线路编码。DMT 技术可将频谱分为多个相同带宽的子通道。而使用正交幅度调制 (QAM) 技术（该调制技术在相关数字通信文献资料中有详细介绍），每个子通道最多只能调制 15 位信息。DMT（也称为正交频分多址接入 (OFDM)）的子载波互为正交，以防止载波间干扰。ADSL 使用频分多路复用 (FDM) 技术隔离上行及下行传输频带。在 FDM 系统中，一部分频谱用于传输，另一部分频谱用于接收。电信运营商开始将此技术大量运用于高速数据业务，ADSL 用户到 2000 年已达 500 万。

提供语音及视频服务

在开始向用户推出 ADSL 服务的同时，电信运营商也在考虑如何利用现有铜线技术提供语音及视频服务。于是 ADSL2+ 标准运应而生，该标准在数据速率、覆盖范围、速率自适应以及诊断等方面均比 ADSL 有了很大的提高。ADSL2+ 的下行频率最高可达 2.2 MHz（而 ADSL 仅为 1.1 Mhz），而且较短环路中下行数据速率超过 25 Mbps，得到了显著提高。ADSL2+ (Annex M) 扩展了低端频谱，使上行数据速率达到 1 Mbps 左右。ADSL 每帧采用固定的 32 Kbps 的开销，而 ADSL2+ 的开销数据速率可降至 4 kbps，从而使有效负载数据传输速率提高了 28 kbps。ADSL2+ 通过增大交错深度 (interleaver depth) 及提供更灵活的组帧参数（每 DMT 符号的编码字数）降低开销并提高了编码增益，因此也提高了里德－所罗门 (Reed-Solomon) 误差校正编码方法的效率。初始状态机的提高使数据传输速率得到有效提升，电信运营商也可借此修正上、下行频带。

据 DSL 论坛的统计，截至 2005 年 3 月全球 DSL 用户数量已达 1.07 亿，占宽带用户总数的 60％。其中大部分采用的是 ADSL 技术，而 ADSL2+ 近年来也开始逐渐得到推广。对在提供语音及数据服务的同时采用多通道传输 HDTV 或普通 TV 信号的需求是推动VDSL 标准产生的动力。VDSL 于 2003 年获批作为短环路应用解决方案，此前这种应用通常都用光纤技术为小区提供远程数字用户专线访问多路复用器 (DSLAM) 支持，需要将两个现有本地环路联在一起。VDSL 的上、下行传输使用多个频带，为高速数据传输及上下行数据对称提供了更大的灵活性。

VDSL2 的问世

VDSL2 标准的研究工作于 2004 年起步，其目的是充分发挥双绞线铜线 (copper pair) 潜力，以提供三重播放宽带业务。与 ADSL/2+ 一样，VDSL2 也采用 DMT 作为线路编码，从而与 ADSL/2/+ 标准具有良好的向后兼容性。此外，VDSL2 还与现有 ADSL/2/+ 业务的频谱兼容。VDSL2 具有丰富的配置选项及频带方案，能够满足全球服务供应商的各种需要。该标准最多可以使用 4096 个相互间隔 4 kHz 或 8 kHz 的 DMT 子载波来传输上、下行数据；同时还提供了8.5 MHz、12 MHz、17.7 MHz 及 30 MHz 等多种频谱配置，其中最高频谱可达 30 MHz（而VDSL1 仅为 12 MHz），所以在距离局端 1000 英尺的范围内可以为用户提供高达 100 Mbps 的对称数据速率。但是当距离超过 3500 英尺时，上、下行传输数据速率降级至 ADSL2+ 的水平，甚至更低。

不同环路长度条件下不同配置的VDSL 及 ADSL2/+的模拟上、下行传输速率。（使用 24 MHz 而不是 30 MHz 作为 VDSL2 模式的最高带宽）。在所有模式/配置条件下，最大汇聚下行发射功率 (TX power) 为 20.5 dBm，最大汇聚上行发射功率为 14.5dBm。该结果表明，考虑到真实的噪声环境，只有当环路长度小于 2300 英尺时，带宽超过 8.8 Mhz 才会使性能提高。

各大电信运营商采用了不同的战略来提供三重播放业务。Verizon 及 NTT 等公司正在积极推进光纤到户 (FTTH)，这种一劳永逸的接入解决方案无需解决铜线的各种不足问题，但却要为铺设新的光纤投入大量资金，如开挖并修复客户的车道、人行道等所涉及的各种费用。AT&T 已开始启动U-verse 业务，即将光纤铺设到小区，然后使用 25 Mbps 的 VDSL2 解决入户问题，这种速率足够支持两个高清或标准清晰度视频信号的传输，该公司正在全力推进此业务并计划到 2006 年底扩大到 15 个市场。而 Deutsche 通信公司开始放慢部署 VDSL2，并告知该业务的普及比预期的要慢。

xSDL 处理组件

目前，大多数主力 xDSL 芯片制造商都在设计符合 ADSL、ADSL2+ 及 VDSL2 等所有主要 DSL 标准的单芯片。由于 VDSL2 的数据传输速度比 ADSL2+ 高出很多，这无疑对芯片制造商提出了巨大挑战。xDSL 芯片包含三个基本处理组件。

模拟前端 (AFE) 包含模数转换器 (ADC)、数模转换器 (DAC)、线路驱动器 (LD) 及模拟滤波器，实际上是负责接收、预处理并随后在 RX 通路中对模拟信号进行数字化的铜线环路接口。在 TX 通路中，AFE 将数字采样转换为模拟信号并进行后处理，然后使用 LD （实际是高功率放大器）将信号差动耦合至双绞线铜线环路中。

数据泵提取 RX 模拟信号的数字采样，并使用各种数字信号处理技术使其尽量接近传输格式。随后，数据泵对信号进行解调，并对所提取的信息位进行解码。数据泵在 TX 通路将信息位进行编码，然后调制为 DMT 码元，经过数字滤波后将数字采样传输到 AFE。

网络处理模块按照 DSL 数据链路及网络层规范对数据码元分组打包。 

芯片设计人员面临的挑战

VDSL2 AFE 的设计（尤其是 30 MHz VDSL2 模式）对芯片设计人员而言相当困难。在所需的最大输出功率及最大运行频率下很难达到 LD 失真及线性规范。同时，17 Mhz 或 30 Mhz VDSL2 模式下 ADC/DAC 的高采样速率意味着采样的动态范围及线性位数量可能影响 AFE 性能。一般情况下，由于环路长度较短，VDSL2 所需动态范围小于 ADSL。另外，当模拟 RX 及 TX 滤波器工作在较高频率下尤其是当滤波器集成在 AFE/LD 芯片中时，寄生效应更加明显。将 ADSL 及 VDSL 变压器电路集成到 LD 接口也很困难。

由于 ADSL 及 VDSL2 均采用同种 DMT 调制架构，所以许多模块可以支持这两种模式。VDSL2 的数字信号处理量比 ADSL 大的多，原因是采样传输到数据泵的速率大幅度增长。但从数学角度而言，用于防止通道损坏、消除回声及帧/定时同步等信号处理算法要比 ADSL 简单许多。

网络处理器通常包括 ARM 或 MIPS 内核等可编程平台，其相当于一个多功能路由器，同时还能用作 IP 及数据链路层之间的接口。网络处理器同时还提供安全功能、专用协议以及其他所需的2、3 层功能。平台灵活性意味着 ADSL 及 VDSL 多速率网络处理器设计的最大挑战在于网络处理器处理功率和内存的缓慢增加。

芯片制造商最近刚刚开始推出支持各种 DSL 的单芯片解决方案，一些解决方案支持所有宽带的 VDSL2 模式（最高达 30 MHz），另外一些则支持宽带最高为 8.5 MHz 或 17.7 MHz 的模式。许多业界领先的芯片制造商在等待电信运营商反应以避免冒进。如采用 VDSL2 技术， 电信运营商需要为铺设通往小区的光纤以及在小区内安装远程终端投入巨额资金。目前看来， VDSL2 将在 12 至 24 个月内实现高销量。

在小区网关集成 xDSL 芯片

在小区网关 (RG) 集成 xDSL 芯片则无需处理关键组件与其他设计之间的接口问题。目前，组件生产商正在开始推出设计完整、技术文档齐全的开发板，这些开发板具有所需的所有接口，而且其他设计问题也已得到解决。由于简化了设计任务并且其建立的 DSL RG 可以满足了市场对视频带宽、服务质量 (QoS)、脉冲噪声保护 (INP) 等的要求，这种开发板将有助于显著拓展 DSL RG 市场。

要在整个家庭内进行广播级视频传输，RG 必须集多种有线与无线技术、安全特性和 服务质量 (QoS) 于一体。RG 需要支持最新的无线网络技术，如现有的 802.11g 及新兴的 802.11n 标准。RG 还应该支持以太网、同轴电缆多媒体联盟 (MOCA)、家庭插电联盟(HPPA) 及通用电力线协会 (Universal Powerline Association)等各种有线组网技术。
半导体生产商正在对上述要求做出积极响应，努力提供高性能、高度灵活的、实用性极强的开发平台来满足服务供应商的各种需要。典型功能集应包括多处理器及各种本地局域网 (LAN) 接口。多处理器专用于不同的业务可以确保向终端用户提供较高的系统性能及良好的服务质量 (QoS)。
 
上图为 TI 生产的 UR8 结构图。UR8 是一种集成了 ADSL 及 VDSL2 宽带连接的 集成式 SoC （片上系统）。多媒体网关处理器及其互补内存控制器负责控制系统及操作系统的运行，并监控 RG 的整体运行情况。宽带数字信号处理器 (DSP) 使用 ASDL 及 VDSL2 等协议将 RG 接入广域网 (WAN) 。UR8 中专门配备了负责处理 VoIP 的第三方 DSP，以确保该架构可支持高质量、高可靠性的语音通信。UR8 中丰富的处理资源使生产商和服务供应商得以专心致力于开发具有差异化的增值服务和具有市场竞争力的 RG 产品。

VoIP 子系统具有灵活的架构，可支持多个有线及无线 CODEC，在处理多达 4 至 8 个电话语音时不会影响到其他功能。统一的 DSL PHY 可支持 VDSL2，从而能够向家庭传输多路 HDTV 数据流。DSL PHY 也支持ADSL、ADSL2、ADSL2+ 等所有传统 ADSL 模式。

DSL 技术在过去十年间的快速发展（尤其是 VDSL2 标准大幅提高数据传输速率）对芯片制造商提出了巨大挑战。DSL 芯片制造商在设计新一代能够处理所有 ADSL 及 VDSL 标准的集成电路时，也必须对AFE、数据泵及网络处理器模块进行升级。在满足高性能要求的同时，为了节省片上空间要尽量重复使用支持 ADSL 与 VDSL 标准的模块，这的确很困难，尤其对于 30 MHz VDSL2 模式更是如此。随着支持所有 xDSL 标准的单芯片解决方案的成功推出，他们将完美集成到高度灵活的新型 RG 架构中，从而快速推出的多种低成本产品，远远超出消费者、服务供应商及设备制造商的期望。这些架构使设备制造商可以灵活开发支持多种家庭网络技术的 RG，以实现在支持多个话音呼叫及其他增值服务的同时传输多路 HDTV 视频流。