DSL 技術(shù)在過(guò)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)標(biāo)準(zhǔn)在視頻、語(yǔ)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)。許多電信公司已經(jīng)開(kāi)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)，因?yàn)槠渫顿Y比采用光纖入戶(hù)的成本低得多，而且新型 DSL 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)極大提高了數(shù)據(jù)吞吐能力，可以滿(mǎn)足通過(guò)銅線傳輸多路高清電視 (HDTV) 信號(hào)等關(guān)鍵需求。由此一來(lái)，實(shí)施這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)便落到了芯片設(shè)計(jì)師身上，必須確保最新 VDSL2 標(biāo)準(zhǔn)比前代 ADSL/2+ 標(biāo)準(zhǔn)傳輸數(shù)據(jù)的速率高出很多。本文將介紹上述技術(shù)的發(fā)展情況以及芯片設(shè)計(jì)師在實(shí)現(xiàn)新型 VDSL2 標(biāo)準(zhǔn)方面的進(jìn)展。

DSL 技術(shù)近十年取得了巨大的進(jìn)步。1999 年 6 月，國(guó)際電聯(lián)電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)(ITU-T) 制定了 ADSL 標(biāo)準(zhǔn)，銅線寬帶業(yè)務(wù)從此開(kāi)始在全球大眾市場(chǎng)部署。ITU-T 為 ADSL 標(biāo)準(zhǔn)選擇了離散多音頻 (DMT) 線路編碼。DMT 技術(shù)可將頻譜分為多個(gè)相同帶寬的子通道。而使用正交幅度調(diào)制 (QAM) 技術(shù)（該調(diào)制技術(shù)在相關(guān)數(shù)字通信文獻(xiàn)資料中有詳細(xì)介紹），每個(gè)子通道最多只能調(diào)制 15 位信息。DMT（也稱(chēng)為正交頻分多址接入 (OFDM)）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)隔離上行及下行傳輸頻帶。在 FDM 系統(tǒng)中，一部分頻譜用于傳輸，另一部分頻譜用于接收。電信運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始將此技術(shù)大量運(yùn)用于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，ADSL 用戶(hù)到 2000 年已達(dá) 500 萬(wàn)。

提供語(yǔ)音及視頻服務(wù)

在開(kāi)始向用戶(hù)推出 ADSL 服務(wù)的同時(shí)，電信運(yùn)營(yíng)商也在考慮如何利用現(xiàn)有銅線技術(shù)提供語(yǔ)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 有了很大的提高。ADSL2+ 的下行頻率最高可達(dá) 2.2 MHz（而 ADSL 僅為 1.1 Mhz），而且較短環(huán)路中下行數(shù)據(jù)速率超過(guò) 25 Mbps，得到了顯著提高。ADSL2+ (Annex M) 擴(kuò)展了低端頻譜，使上行數(shù)據(jù)速率達(dá)到 1 Mbps 左右。ADSL 每幀采用固定的 32 Kbps 的開(kāi)銷(xiāo)，而 ADSL2+ 的開(kāi)銷(xiāo)數(shù)據(jù)速率可降至 4 kbps，從而使有效負(fù)載數(shù)據(jù)傳輸速率提高了 28 kbps。ADSL2+ 通過(guò)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(kāi)銷(xiāo)并提高了編碼增益，因此也提高了里德－所羅門(mén) (Reed-Solomon) 誤差校正編碼方法的效率。初始狀態(tài)機(jī)的提高使數(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 論壇的統(tǒng)計(jì)，截至 2005 年 3 月全球 DSL 用戶(hù)數(shù)量已達(dá) 1.07 億，占寬帶用戶(hù)總數(shù)的 60％。其中大部分采用的是 ADSL 技術(shù)，而 ADSL2+ 近年來(lái)也開(kāi)始逐漸得到推廣。對(duì)在提供語(yǔ)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)用通常都用光纖技術(shù)為小區(qū)提供遠(yuǎn)程數(shù)字用戶(hù)專(zhuān)線訪問(wèn)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(chēng)提供了更大的靈活性。

VDSL2 的問(wèn)世

VDSL2 標(biāo)準(zhǔn)的研究工作于 2004 年起步，其目的是充分發(fā)揮雙絞線銅線 (copper pair) 潛力，以提供三重播放寬帶業(yè)務(wù)。與 ADSL/2+ 一樣，VDSL2 也采用 DMT 作為線路編碼，從而與 ADSL/2/+ 標(biāo)準(zhǔn)具有良好的向后兼容性。此外，VDSL2 還與現(xiàn)有 ADSL/2/+ 業(yè)務(wù)的頻譜兼容。VDSL2 具有豐富的配置選項(xiàng)及頻帶方案，能夠滿(mǎn)足全球服務(wù)供應(yīng)商的各種需要。該標(biāo)準(zhǔn)最多可以使用 4096 個(gè)相互間隔 4 kHz 或 8 kHz 的 DMT 子載波來(lái)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 30 MHz 等多種頻譜配置，其中最高頻譜可達(dá) 30 MHz（而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(hù)提供高達(dá) 100 Mbps 的對(duì)稱(chēng)數(shù)據(jù)速率。但是當(dāng)距離超過(guò) 3500 英尺時(shí)，上、下行傳輸數(shù)據(jù)速率降級(jí)至 ADSL2+ 的水平，甚至更低。

不同環(huán)路長(zhǎng)度條件下不同配置的VDSL 及 ADSL2/+的模擬上、下行傳輸速率。（使用 24 MHz 而不是 30 MHz 作為 VDSL2 模式的最高帶寬）。在所有模式/配置條件下，最大匯聚下行發(fā)射功率 (TX power) 為 20.5 dBm，最大匯聚上行發(fā)射功率為 14.5dBm。該結(jié)果表明，考慮到真實(shí)的噪聲環(huán)境，只有當(dāng)環(huán)路長(zhǎng)度小于 2300 英尺時(shí)，帶寬超過(guò) 8.8 Mhz 才會(huì)使性能提高。

各大電信運(yùn)營(yíng)商采用了不同的戰(zhàn)略來(lái)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(hù) (FTTH)，這種一勞永逸的接入解決方案無(wú)需解決銅線的各種不足問(wèn)題，但卻要為鋪設(shè)新的光纖投入大量資金，如開(kāi)挖并修復(fù)客戶(hù)的車(chē)道、人行道等所涉及的各種費(fèi)用。AT&T 已開(kāi)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(hù)問(wèn)題，這種速率足夠支持兩個(gè)高清或標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻信號(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 Deutsche 通信公司開(kāi)始放慢部署 VDSL2，并告知該業(yè)務(wù)的普及比預(yù)期的要慢。

xSDL 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 ADSL、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(wú)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 (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) 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)字化的銅線環(huán)路接口。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 （實(shí)際是高功率放大器）將信號(hào)差動(dòng)耦合至雙絞線銅線環(huán)路中。

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，數(shù)據(jù)泵對(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。數(shù)據(jù)泵在 TX 通路將信息位進(jìn)行編碼，然后調(diào)制為 DMT 碼元，經(jīng)過(guò)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)

VDSL2 AFE 的設(shè)計(jì)（尤其是 30 MHz VDSL2 模式）對(duì)芯片設(shè)計(jì)人員而言相當(dāng)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)，17 Mhz 或 30 Mhz 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。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)，所以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)處理器通常包括 ARM 或 MIPS 內(nèi)核等可編程平臺(tái)，其相當(dāng)于一個(gè)多功能路由器，同時(shí)還能用作 IP 及數(shù)據(jù)鏈路層之間的接口。網(wǎng)絡(luò)處理器同時(shí)還提供安全功能、專(zhuān)用協(xié)議以及其他所需的2、3 層功能。平臺(tái)靈活性意味著 ADSL 及 VDSL 多速率網(wǎng)絡(luò)處理器設(shè)計(jì)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。

芯片制造商最近剛剛開(kāi)始推出支持各種 DSL 的單芯片解決方案，一些解決方案支持所有寬帶的 VDSL2 模式（最高達(dá) 30 MHz），另外一些則支持寬帶最高為 8.5 MHz 或 17.7 MHz 的模式。許多業(yè)界領(lǐng)先的芯片制造商在等待電信運(yùn)營(yíng)商反應(yīng)以避免冒進(jìn)。如采用 VDSL2 技術(shù)， 電信運(yùn)營(yíng)商需要為鋪設(shè)通往小區(qū)的光纖以及在小區(qū)內(nèi)安裝遠(yuǎn)程終端投入巨額資金。目前看來(lái)， VDSL2 將在 12 至 24 個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)高銷(xiāo)量。

在小區(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(wú)需處理關(guān)鍵組件與其他設(shè)計(jì)之間的接口問(wèn)題。目前，組件生產(chǎn)商正在開(kāi)始推出設(shè)計(jì)完整、技術(shù)文檔齊全的開(kāi)發(fā)板，這些開(kāi)發(fā)板具有所需的所有接口，而且其他設(shè)計(jì)問(wèn)題也已得到解決。由于簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)任務(wù)并且其建立的 DSL RG 可以滿(mǎn)足了市場(chǎng)對(duì)視頻帶寬、服務(wù)質(zhì)量 (QoS)、脈沖噪聲保護(hù) (INP) 等的要求，這種開(kāi)發(fā)板將有助于顯著拓展 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(wú)線技術(shù)、安全特性和 服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 于一體。RG 需要支持最新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如現(xiàn)有的 802.11g 及新興的 802.11n 標(biāo)準(zhǔn)。RG 還應(yīng)該支持以太網(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)體生產(chǎn)商正在對(duì)上述要求做出積極響應(yīng)，努力提供高性能、高度靈活的、實(shí)用性極強(qiáng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)滿(mǎn)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(zhuān)用于不同的業(yè)務(wù)可以確保向終端用戶(hù)提供較高的系統(tǒng)性能及良好的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)。
 
上圖為 TI 生產(chǎn)的 UR8 結(jié)構(gòu)圖。UR8 是一種集成了 ADSL 及 VDSL2 寬帶連接的 集成式 SoC （片上系統(tǒng)）。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)控制系統(tǒng)及操作系統(tǒng)的運(yùn)行，并監(jiān)控 RG 的整體運(yùn)行情況。寬帶數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 使用 ASDL 及 VDSL2 等協(xié)議將 RG 接入廣域網(wǎng) (WAN) 。UR8 中專(zhuān)門(mén)配備了負(fù)責(zé)處理 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(yǔ)音通信。UR8 中豐富的處理資源使生產(chǎn)商和服務(wù)供應(yīng)商得以專(zhuān)心致力于開(kāi)發(fā)具有差異化的增值服務(wù)和具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的 RG 產(chǎn)品。

VoIP 子系統(tǒng)具有靈活的架構(gòu)，可支持多個(gè)有線及無(wú)線 CODEC，在處理多達(dá) 4 至 8 個(gè)電話語(yǔ)音時(shí)不會(huì)影響到其他功能。統(tǒng)一的 DSL PHY 可支持 VDSL2，從而能夠向家庭傳輸多路 HDTV 數(shù)據(jù)流。DSL PHY 也支持ADSL、ADSL2、ADSL2+ 等所有傳統(tǒng) ADSL 模式。

DSL 技術(shù)在過(guò)去十年間的快速發(fā)展（尤其是 VDSL2 標(biāo)準(zhǔn)大幅提高數(shù)據(jù)傳輸速率）對(duì)芯片制造商提出了巨大挑戰(zhàn)。DSL 芯片制造商在設(shè)計(jì)新一代能夠處理所有 ADSL 及 VDSL 標(biāo)準(zhǔn)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(mǎn)足高性能要求的同時(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，這的確很困難，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，他們將完美集成到高度靈活的新型 RG 架構(gòu)中，從而快速推出的多種低成本產(chǎn)品，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。這些架構(gòu)使設(shè)備制造商可以靈活開(kāi)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)話音呼叫及其他增值服務(wù)的同時(shí)傳輸多路 HDTV 視頻流。