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　　非对称数字用户环路（ADSL）是目前宽带接入网技术中最具有前景及竞争力的一种 。虽然欧美一些先进国家在ADSL示范网上取得了成功，但在当前 Internet的应用环境中，要广泛应用ADSL还有阻力。主要原因是ADSL系统技术较为复杂，采用集成电路（IC）设计方法，通过印刷电路板（PCB）来将多芯片集成为系统，系统实际性能并不理想，同时使得ADSL设备制作成本较高，因此难以推广使用。采用片上系统设计方法 把各个子系统有机地集成到一个芯片上去，可以很好地克服多芯片集成系统所引起的系统性能问题，使ADSL真正成为一种高速、低成本的Internet高速接入技术。本文介绍ADSL收发器片上系统芯片设计，给出了硬件实现的具体描述。 　　1 ADSL收发器片上系统芯片总体设计 　　设计的片上系统（System on a Chip）芯片如图1所示。其中存储器核采用NMI Electronics存储器核，PCI采用Eureka Technology的PCI核，DSP核选用某公司的DSP核，DSP算法自主设计开发。MCU核完成与DSP核、ATM成帧器核及各种接口的通信、控制、管理功能，包括PCI总线接口、USB接口、10BASE-T接口及内部总线的协调控制工作，通过专用逻辑模块来完成；DSP核致力于完成收发器设备中各种核心算法，包括ADSL子信道划分算法、DMT（离散多音频调制）子信道比特分配算法、功率调整、非线性回波抵消算法、自适应均衡算法等；模拟前端 AFE核完成A/D、D/A转换、线路驱动及分离器功能；ATM成帧器核完成ATM帧头定位及成帧功能，其中的逻辑电路完成CRC编解码、扰码与解码、 RS编解码、交织与解交织和TCM编解码；通过模式选择本设计可以工作于ATM和STM两种模式下；本芯片还提供了控制通道（RS232接口），实现对系统的管理、监视和调试功能。设计特点：（1）模拟前端核与其他核集成在一起，避免了线性驱动器件中常见的四个电源至少需要三个的情况，实现了高效率、低功耗的设计。（2）可在局端DSL接入复用器中直接当作线卡来用，以提供高速因特网接入服务。（3）支持所有最新的ADSL标准，包括ANSI T1.413Issue 2、ITU G.992.1和ITU G.992.2。它还提供了G.Lite运作所需要的低开销、快速启动和再训练功能。（4）通过控制口提供配置和控制ADSL线的所有功能，减轻主机控制器的管理负担。 　　2 芯片中的典型电路设计与实现 　　2.1 ATM成帧器设计 　　ATM 成帧器完成用户数据接口功能。用户数据接口将接收的Utopia接口或者STM接口数据分为快速Utopia接口或者STM接口。用户数据接口分为接收方向和发送方向两个部分，发送方向是由芯片外向芯片内，所处理数据包括ATM数据（utopia接口）、STM数据，将其组成为ADSL超帧，并分为交织通道和快速通道；接收方向是将交织通道和快速通道 的数据通过解帧等变换发送出去，也分为utopia接口数据、STM数据。其大致的结构如图2所示。 　　    STM接口在发送方向包括STM_Data和STM_CLK两种信号，在接收方向包括STM_Data和STM_CLK两种信号。在发送方向，STM信号经过并串转换后，以串行方式进行传送，SLT_Data0传送偶数比特，SLT_Data1传送奇数比特，然后在通道分类中根据外部微处理器的配置（通过控制接口）将数据送入fast通道或者interleave通道。在接收方向，从fast通道和interleave通道中来的数据在通道合并中合并为串行数据，SLR_Data0传送偶数比特，SLR_Data1传送奇数比特，再经过串并转换送到STM接口中。其中，超帧指标模块主要产生指示超帧的信号（包括接收和发送方向），VAL和REQ是字节数据有效信号，Frame信号是数据超帧开始信号，CLK信号是超帧时钟。根据Utopia协议可以知道， Utopia接口每个字节数据都是由一个时钟周期来传送的，所以传送一个信元可以用53个时钟周期。在发送方向和接收方向的同步时钟信号都是由ATM层发出的，可以把他们看成是异步时钟。从Utopia接口进入芯片的数据首先通过地址译码，选择发送的端口地址，然后由发送控制器控制从Utopia接口来的数据，将它们存入发送缓冲，然后到信元速率接口控制器。信元速率控制器模块的功能为：当ATM层发送的信元速率小于ADSL的下行传送数据速率时，信元速率控制器就插入一些空信元来使两乾的数据速率匹配。HEC生成模块的功能：处理信元的HEC，提高出现滑码时的信元定界能力。在处理信元在接收误码计数器中记录下来，用于以后的性能监测中。信元加扰模块的功能：防止在信元负荷中出现与HEC相同的情况。帧适配模块的功能：将信元数据流整理成适于ADSL超帧数据结构。一方面实现同步，在ADSL中可以通过填充字节LEX、AEX来实现。如果发送时钟稍快一点，将把固定的字节数用完，这时可以用LEX、 AEX来传送数据。如果发送时钟稍慢一点，固定的字节数将不会被用完，这时候可以不用信号（ib）来表示，由外部微处理器来处理。帧适配模块的另一方面功能是可以提取aoc、eoc、ib等子节。并串转换模块的功能：将数据流进行并串转换后送入通道分类模块。通道分类模块的功能：将奇数和偶数的串行数据流合并成一列数据流，根据Utopia接口的TxAdd信号或者外部微处理器的配置（控制接口中的寄存器）送入fast通道或者interleave通道。需要指出的是接收方向与发送方向数据流向相反，不再解释。   　　2.2 数字接口设计 　　根据ADSL协议要求，数字接口主要将信道中的快速和交织的数据经过扰码、FEC编码后形成可以传送的数据。大致框图如图3所示。 　　在发送方向，从用户数据接口来的fast（快车）通道和interleave(交织)通道的数据先分别进行CRC校验，然后进入解帧模块，在这个模块中，将超帧分解为一个一个的数据帧，存入缓冲中。然后对fast和interleave数据分别进行加扰，这种加扰是对每个数据帧进行加扰，加扰后的数据进入 RS编程模块，之后进入发送FIFO。对于Interleave数据，从发送FIFO出来以后就进行交织处理，然后将两种数据进行比较分配，对每个子信道分配一定的比特数，这可以参考比持分配表格（在初始化时计算出来，存放在缓存之中）。 　　  在接收方向，从DMT调制模块来的数据进入比特解配，对Interleave数据再经过de_interleave模块之后进入接收FIFO，然后进入 RS解码模块，当发现错误时，将误码计数器加1，计数结果将用于性能。从RS解码出来的数据经过解扰后，送入组帧模块，在个模块中，将各个数据帧组合成超帧，然后将数据进行CRC校验，最后送到用户数据接口。 　　2.3 DMT调制电路设计 　　DMT 调制是ADSL收发器片上系统芯片中的重要模块之一，主要完成数据在每个子信道上的调制，它的好坏直接关系到ADSL收发器芯片性能的好坏。DMT中大部分的计算都通过DSP来完成，如FFT/IFFT、FEQ、TEQ、星座编码和解码、Trellis编码和Viterbi解码等功能。与DSP的联系主要通过数据和程序地址总线来完成。DMT调制模块大致框图如图4所示。 　　在发送方向，从数字接口来的数据流已经是每个子信道的比特分配流，这种数据流在星座编码模块中进行星座编码，将频域的比特流信号转换成时域的星座平面上的复数（X+iY）信号，然后进行2D QAM调制。这时候可以选择Trellis编码（四维格状态调制），用以产生冗余比特来增强发送的可靠性。然后将经过星座编码后的数据存入发送缓冲。由于信道失真或者其他的原因，从缓冲出来的数据在频率和相位上都与主时钟频率和相位不匹配。所以为了调整这种不匹配，从缓冲出来的数据先经过频率调整和增益微调（FTG）。频率调整是调节发送频率，保证发送频率和理想频率的一致，FTG是调节每个子载波上的增益稀疏。然后再进入快速傅立叶逆变换（IFFT），将频域的DMT符号转换成时域的信号，送入发送缓冲之中，最后送入模拟前端接口。 　　在接收方向，从模拟前端接口来的数据是经过时域均衡（TEQ）以后的，这些数据首先进入接收缓冲，之后进入快速傅立叶变换（FFT），将时域的DMT信号转换成频域的信号（512点），然后在频域均衡（FEQ）和相位调整模块中消除相应的干扰，送入接收缓冲，之后进行星座解码，从而将星座平面的复数点转换为比特流。如果接收的数据使用了Trellis编码，那么在星座解码后的数据将再通过Viterbi解码模块之后，送入数据接口。 　　在第64个子信道中传送的时导频信号，在发送和接收方向都是通过DPLL数字锁相环来保证发送和接收时钟与导频信号一致。当星座编码和解码时，发现导频信号的星座点的位置与理想的点位置不一致时，就要通过DPLL和相位调整/频率调整模块来纠正。同时，监视器可以发送中心断R_INT4信号到管理和控制接口。通过ASB与内部ARM核通信。DPLL的功能有：（1）DPLL中恢复导频信号的功能。为了保证收发时钟有固定的相位关系，在ADSL中采用了插入导频的方法来传送和恢复时钟信号。发送器在发送数据的同时用64号子信道传送独立的导频信号，抽样时钟频率为2208kHz，而导频信号的频率为 276kHz，恢复了导频信号后，利用锁相环锁住抽样时钟频率，从而实现时钟的恢复。（2）在PLL中通过一个时钟源产生内部的所需时钟。其中内部所需时钟包括：CPU时钟、DSP时钟、各种算法的时钟等。PLL锁相环的外界参考晶体的频率可以为：35.328MHz。  　　在Trellis编码和Viterbi解码时，分别有一个误码计数器与之相连，当发生错误时，误码计数器加1，加到一定数值，就通过发送中断信号T_INT5、R_INT5通知内部ARM核。 　　3 非对称数字用户环路收发器的睡上系统芯片设计难点 　　3.1 DSP算法设计及实现 　　DSP 算法是ADSL收发器SOC芯片的核心，其工作的好坏直接影响整个芯片的性能，而ADSL收发器中涉及的DSP技术又非常复杂，给设计增加了难度。DSP 算法的设计首先要建立管理模型，以模型为基础进行算法设计，继而设计优化模型并以此为根据对算法进行优化，使算法准确、稳定，能很好地满足性能要求。下一步就是硬件软件实现及二者的协同设计和验证，验证是为了优化VLSI硬件和功能结构，有效快速地执行算法，最后进行DSP系统集成。 　　3.2 数模混合设计 　　为了降低功耗，提高电子器件的效率，把模拟前端AFE与微控制器MCU核等集成到一起。在一个数字芯片上集成混合信号内核时，缺乏线性电阻是一个主要问题，因为连续时间序滤波器要求片上电阻具有良好的可控性和线性。电流开关DAC也要用线性电阻把电流转变成电压。把数字噪音与模拟噪音隔离开是另外一个问题，必须采用具有较高共模抑制比（CMRR）和电源抑制比的完全差动设计。 　　3.3 系统验证问题 　　随着系统级芯片（SOC）复杂性的增加，传统使用HDL软件模拟器来进行验证的方法已经不够用了，它无法提供所需的性能，以检查系统功能的正确性。而且 SOC芯片的验证需要对整个系统建立模型，要将很多实际的情况加入到模型之中，来证明整个系统经及芯片都工作正常。因此，需要有一个灵活的建模环境，以便处理大量的系统级方案。处理界面入口（TIP）可以在抽象层软件和详细的硬件实现之间提供一个高速链接，执行任务软件、验证系统级操作以及快速发现设计中的问题。 　　3.4系统测试问题 　　SOC芯片的测试技术难度较大。SOC芯片测试设备则必须能够精确地检测模拟和数字两种电路，并支持扫描检测和嵌套式存储器检测。对输入引脚加测试向量，再从输出引脚观察结果的传统检测方法已不适用。因为，传统方法测试向量集会过分庞大，执行时间也会长得惊人。 　　4 设计实现 　　采用软硬件协同仿真设计，在大型EDA仿真软件Cadence的数字模拟混合设计工具Spectra上，用硬件描述语言Verilog完成设计输入，进而完成设计综合、功能仿真、布局布线、后仿真和产生构造位流文件。 　　以上介绍了ADSL收发器片上系统芯片设计，给出了相应硬件设计的具体描述，对设计特点、难点进行了阐述。

介绍W5300连接ADSL之前，先给大家简单介绍一下WIZnet W5300这款芯片。 W5300是WIZnet公司的一款单芯片器件，采用0．18μmCMOS工艺，内部集成10／100M以太网控制器、MAC层协议和TCP／IP协议栈，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。其主要性能特点如下： 1)支持硬件TCP／IP协议栈：TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP，IGMP、PPPoE； 2)支持8路独立的网络连接端口SOCKETs同时工作； 3)内部拥有128 k字节TX／RX存储器用于数据通信，并可根据端口数据吞吐量灵活分配TX／RX存储器空间大小； 4)支持2种主机接口模式(直接寻址模式和间接寻址模式)； 5)支持16／8 bit数据总线，传输速率高达50 Mbps； 6)支持第三方物理(PHY)接口。 简介 W5300支持在ADSL上的PPP/PPPoE协议通信。ADSL是使用电话线提供多种服务的通信方式。PPP是数据链路层协议，通过使用ADSL调制解调器和发送IP数据包，与ISP设备建立起点对点连接。PPPoE是使用基于以太网的PPP帧进行通信的数据链路层协议。 图 1. ADSL 该应用笔记详述了W5300的PPP/PPPoE功能，描述了ADSL连接的具体步骤。 PPP/PPPoE功能寄存器 与PPP/PPPoE相关的寄存器列表如下。了解更多详细信息，请参考W5300数据手册。 MR (模式寄存器) PPP/PPPoE模式使能位 1: 启用PPP/PPPoE 0: 禁用PPP/PPPoE IR (中断寄存器) PPP/PPPoE终止中断位 1: PPP/PPPoE连接关闭 IMR (中断屏蔽寄存器) IR(PPPT)中断屏蔽位 PATR (PPPoE认证类型寄存器) 它通知与PPPoE服务器协商的认证方法。 W5300支持2种认证方法。 例) PATR = ‘CHAP’ PTIMER(PPP连接控制协议请求计数器寄存器) 它设置连接控制协议(LCP)的发送计数器应答请求，值1约为25ms。 例) PTIMER = 200 (200 * 25ms = 5000ms = 5s) PMAGICR(PPP LCP Magic number 寄存器) 它设置了与PPPoE服务器协商过程中将会用到的4字节的 Magic number 值。 例) PMAGICR = 0×01                                 继续阅读 更多信息与我们交流： WIZnet邮箱：wiznetbj@wiznet.co.kr WIZnet主页：http://www.iwiznet.cn WIZnet企业微博：http://e.weibo.com/wiznet2012

尽管中国用户对互联网收音机还没有什么概念，但在日前举行的面向欧美出口市场的香港秋季电子展上，互联网收音机已赫然出现在中国参展商的展台上。互 联网收音机正在快速成为消费电子市场的一个新亮点，因为它允许任何人随时随地收听通过当今无所不在的互联网传播的数字无线电广播。例如，不管你是在澳大利 亚、日本还是中国，你都可以随时随地收听到清晰的英国BBC或 美 国 之 音 通过互联网广播的数字无线电节目，不管室外在刮风还是下雨或打雷。 目前在手机或汽车应用市场流行的FM收音机只能收听当地无线电台的调频广播节目，便携式短波收音机虽能收听全球无线电广播，但广播信号质量不仅受天 气影响极大，而且在高楼大厦林立的亚洲室内接听效果常常差强人意。互联网收音机则真正实现了全球任何环境下的高清晰度收听，这一独特的性能肯定将推动它成 为未来收音机市场的新宠。 从无线电广播运营商的角度来看，通过互联网向全球消费者传播数字无线电节目也是它们更理想的选择，因为与基于卫 星或发射台的传统模拟音频广播方式相比，基于互联网的数字无线电广播具有明显的成本优势，它允许以很低成本覆盖到全球更广大地区的潜在消费者，而无需再为 了开发偏远地区和海外国家的潜在用户架设大功率发射台，从而每年可节省大笔的发射费用。英国Radioscape公司CEO John Hall介绍道：“澳大利亚、新西兰和欧洲的运营商都在积极开通更多的互联网音频广播频道，英国运营商明年已计划投入更大的努力来开发DAB内容，因为它 们已认识到成功的关键是内容的质和量。”Radioscape公司是目前全球唯一的端到端DAB+/DAB+数字音频广播解决方案开发商。 从用户市场的角度来看，互联网收音机最大的消费群将是中学和大学的莘莘学子，因为这是他们学习外语的最佳低成本渠道。其次将是那些需要经常在全球出差或旅行的商务人士。 从 应用平台的角度来看，独立的嵌入Wi-Fi、以太网或ADSL联网模块的便携式互联网收音机将是主要的接收和播放平台。不过，随着当今的台式PC、掌上 PC、笔记本电脑、手机、PMP和数码相框等电子设备几乎都能通过Wi-Fi、以太网、ADSL或有线电视网络接入互联网，它们未来也将是推动互联网收音 机市场发展的一个重要平台。 除了互联网这一数字无线电广播渠道，目前传统的基于地面发射台的AM/FM模拟无线电广播也开始在全球范围内 向数字无线电广播转移，目前主要的数字无线电广播格式有欧洲的DAB和美国的HD Radio以及XM，但相对而言，DAB在全球范围内更受欢迎，而且已发展到DAB+。例如，根据John Hall，除了英国全境可提供DAB数字无线电广播服务以外，德国、法国、意大利和新加坡也已推出DAB业务，新西兰和包括印尼在内的许多东盟国家准备启 动DAB业务，澳大利亚更进一步，现正在准备推出DAB+业务。中国的北京、广州、上海、云南和深圳等地区已经接收了Radioscape的20套DAB 广播系统，并开始提供DAB试点广播服务。他强调指出：“2008年是中国国家广电总局指定实现DAB数字转换的一年，至少北京一定会在明年奥运会前正式 推出DAB业务。” 尽管汽车用户是数字无线电广播运营商最初寄予厚望的目标市场，但目前来看，数字音频接收机的主要平台仍是独立的便携式 音频播放设备和家庭组合音响，汽车后装市场的份额还很小。不过，其不可估量的发展潜力已成功吸引到不少市场开拓者的目光，他们为该市场带来了很多非常有创 意和吸引力的新产品，如今年底将上市的可与iPod连接的小巧DAB接收器、内嵌Wi-Fi并配有触摸感应滑动控制按键的便携式互联网收音机。

可能谁也没想到，目前为中国广大固定与移动消费群体提供的与位于全球各地的相识或不相识网友进行‘互联网文本或视频聊天’的业务已经成为像中国电信 和中国网通这样的固定宽带互联网接入服务提供商的主要收入来源，不过，其消费群体仍主要局限于年轻一代。随着网络带宽的不断加大和家用PC处理性能的提 升，多媒体流服务（如音乐试听、实时背景音乐和网络电视IPTV）开始变得越来越受欢迎，而且其市场发展潜力肯定会远超过视频聊天，因为它的消费群体覆盖 所有年龄层。 市场研究公司也十分看好IPTV市场的发展前景。例如，iSuppli最近的一份报告指出，2007年将代表IPTV的一个拐点，IPTV将在全球同时获得推动，全球IPTV订户飞升至1450万，IPTV服务也预计将翻三倍。 目前为中国用户提供互联网文本或视频聊天服务的主要宽带接入技术是中国电信的ADSL，ADSL下行最大带宽为8Mbps(最大接入距离可达7公 里)，但由于接收一个频道的高清IPTV视频流至少需要18Mbps以上的带宽，因此ADSL技术是不够用了，必须进行升级。目前中国电信已着手启动 ADSL到ADSL2+的升级计划。ADSL2+的下行最大带宽是24Mbps(1到3公里，3公里以上和ADSL差不多)，它只能接收一个频道的高清 IPTV视频流，从商用角度来说这点带宽还是不够的，因为未来的家庭用户肯定不会只满足于接收一个频道的IPTV流。 VDSL2虽然可以提供52Mbps的带宽，但它的接入距离只能在1公里以内。如果从铺设成本、新业务提供、系统未来扩容和维护等综合经济因素考 虑，最合适的商用化宽带接入技术只能是无源光网络EPON/GPON。目前一根EPON光纤可提供1.25Gbps的上下行对称传输速率，而GPON的下 行最大速率更是可达到2.5Gbps。因此预计未来低端家庭用户会采用ADSL2+接入技术来接收IPTV视频流，期望更高性价比的中端家庭用户可以考虑 采用光纤到小区/大楼+VDSL/VDSL2的组合解决方案，高端家庭用户则会考虑光纤直接到户方案。 EPON/GPON将会是终极的家庭宽带接入解决方案。与有源光网络接入技术相比，无源光网络(PON)由于消除了局端与用户端之间的有源设备，从而使得维护简单、可靠性高、成本低，而且能节约光纤资源，普遍被认为是未来FTTH的最终宽带接入解决方案。 IEEE提出的EPON可以支持1.25Gbps对称速率，EPON产品现已得到了更大程度的商用，由于其将以太网技术与PON技术完美结合，因此成为了非常适合IP业务的宽带接入技术。对于千兆速率的EPON系统也常被称为GE-PON。 ITU提出的GPON能提供1.25和2.5Gbps下行速率和所有标准的上行速率，传输距离至少20公里,并具有强大的操作和管理功能。在高速率和支持多业务方面，GPON有明显优势，但成本目前要高于EPON，产品的成熟性也逊于EPON。 不过，目前中国电信倾向于采用商用化程度较高的EPON技术来一步到位地解决ADSL网络快车的升级问题，以迎接即将到来的IPTV应用热潮。 PMC-Sierra更是罕有地专门针对中国电信的特别市场需求(数据加密和解密算法以及QoS等)开发出了业界第一款EPON ONU芯片PAS6301和OLT芯片PSA5201，两者结合起来即是完整的端到端EPON解决方案。这两款器件都支持大数据包缓冲，支持高质量 IPTV广播的接收与播放。中国电信高层更是亲自到香港ITU电信展上实地观看了PMC-Sierra进行的业界第一个EPON住宅网关方案演示，该方案 可以通过家庭网络传送运营商级IPTV和语音服务。 所有这一切迹象均表明，中国电信采用EPON接入方案已是板上钉钉的事了，它的大规模商用化步伐不仅将为广大光设备制造商带来新的机会，而且也将带动家庭多媒体网关市场的发展。