ADSL收發(fā)器片上系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)環(huán)路（ADSL）是目前寬帶接入網(wǎng)技術(shù)中最具有前景及競(jìng)爭(zhēng)力的一種[1]。雖然歐美一些先進(jìn)國(guó)家在ADSL示范網(wǎng)上取得了成功,但在當(dāng)前Internet的應(yīng)用環(huán)境中,要廣泛應(yīng)用ADSL還有阻力。主要原因是ADSL系統(tǒng)技術(shù)較為復(fù)雜,采用集成電路（IC）設(shè)計(jì)方法,通過(guò)印刷電路板（PCB）來(lái)將多芯片集成為系統(tǒng),系統(tǒng)實(shí)際性能并不理想,同時(shí)使得ADSL設(shè)備制作成本較高,因此難以推廣使用。采用片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[2][3][4]把各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)地集成到一個(gè)芯片上去,可以很好地克服多芯片集成系統(tǒng)所引起的系統(tǒng)性能問(wèn)題,使ADSL真正成為一種高速、低成本的Internet高速接入技術(shù)。本文介紹ADSL收發(fā)器片上系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì),給出了硬件實(shí)現(xiàn)的具體描述。

1 ADSL收發(fā)器片上系統(tǒng)芯片總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的片上系統(tǒng)（System on a Chip）芯片如圖1所示。其中存儲(chǔ)器核采用NMI Electronics存儲(chǔ)器核,PCI采用Eureka Technology的PCI核,DSP核選用某公司的DSP核,DSP算法自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。MCU核完成與DSP核、ATM成幀器核及各種接口的通信、控制、管理功能,包括PCI總線(xiàn)接口、USB接口、10BASE-T接口及內(nèi)部總線(xiàn)的協(xié)調(diào)控制工作,通過(guò)專(zhuān)用邏輯模塊來(lái)完成;DSP核致力于完成收發(fā)器設(shè)備中各種核心算法,包括ADSL子信道劃分算法、DMT（離散多音頻調(diào)制）子信道比特分配算法、功率調(diào)整、非線(xiàn)性回波抵消算法、自適應(yīng)均衡算法等;模擬前端AFE核完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)及分離器功能;ATM成幀器核完成ATM幀頭定位及成幀功能,其中的邏輯電路完成CRC編解碼、擾碼與解碼、RS編解碼、交織與解交織和TCM編解碼;通過(guò)模式選擇本設(shè)計(jì)可以工作于ATM和STM兩種模式下;本芯片還提供了控制通道（RS232接口）,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的管理、監(jiān)視和調(diào)試功能。設(shè)計(jì)特點(diǎn)：（1）模擬前端核與其他核集成在一起,避免了線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)器件中常見(jiàn)的四個(gè)電源至少需要三個(gè)的情況,實(shí)現(xiàn)了高效率、低功耗的設(shè)計(jì)。（2）可在局端DSL接入復(fù)用器中直接當(dāng)作線(xiàn)卡來(lái)用,以提供高速因特網(wǎng)接入服務(wù)。（3）支持所有最新的ADSL標(biāo)準(zhǔn),包括ANSI T1.413Issue 2、ITU G.992.1和ITU G.992.2。它還提供了G.Lite運(yùn)作所需要的低開(kāi)銷(xiāo)、快速啟動(dòng)和再訓(xùn)練功能。（4）通過(guò)控制口提供配置和控制ADSL線(xiàn)的所有功能,減輕主機(jī)控制器的管理負(fù)擔(dān)。

2 芯片中的典型電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 ATM成幀器設(shè)計(jì)

ATM成幀器完成用戶(hù)數(shù)據(jù)接口功能。用戶(hù)數(shù)據(jù)接口將接收的Utopia接口或者STM接口數(shù)據(jù)分為快速Utopia接口或者STM接口。用戶(hù)數(shù)據(jù)接口分為接收方向和發(fā)送方向兩個(gè)部分,發(fā)送方向是由芯片外向芯片內(nèi),所處理數(shù)據(jù)包括ATM數(shù)據(jù)（utopia接口）、STM數(shù)據(jù),將其組成為ADSL超幀,并分為交織通道和快速通道;接收方向是將交織通道和快速通道 的數(shù)據(jù)通過(guò)解幀等變換發(fā)送出去,也分為utopia接口數(shù)據(jù)、STM數(shù)據(jù)。其大致的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

??? STM接口在發(fā)送方向包括STM_Data和STM_CLK兩種信號(hào),在接收方向包括STM_Data和STM_CLK兩種信號(hào)。在發(fā)送方向,STM信號(hào)經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換后,以串行方式進(jìn)行傳送,SLT_Data0傳送偶數(shù)比特,SLT_Data1傳送奇數(shù)比特,然后在通道分類(lèi)中根據(jù)外部微處理器的配置（通過(guò)控制接口）將數(shù)據(jù)送入fast通道或者interleave通道。在接收方向,從fast通道和interleave通道中來(lái)的數(shù)據(jù)在通道合并中合并為串行數(shù)據(jù),SLR_Data0傳送偶數(shù)比特,SLR_Data1傳送奇數(shù)比特,再經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換送到STM接口中。其中,超幀指標(biāo)模塊主要產(chǎn)生指示超幀的信號(hào)（包括接收和發(fā)送方向）,VAL和REQ是字節(jié)數(shù)據(jù)有效信號(hào),Frame信號(hào)是數(shù)據(jù)超幀開(kāi)始信號(hào),CLK信號(hào)是超幀時(shí)鐘。根據(jù)Utopia協(xié)議可以知道,Utopia接口每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)都是由一個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)傳送的,所以傳送一個(gè)信元可以用53個(gè)時(shí)鐘周期。在發(fā)送方向和接收方向的同步時(shí)鐘信號(hào)都是由ATM層發(fā)出的,可以把他們看成是異步時(shí)鐘。從Utopia接口進(jìn)入芯片的數(shù)據(jù)首先通過(guò)地址譯碼,選擇發(fā)送的端口地址,然后由發(fā)送控制器控制從Utopia接口來(lái)的數(shù)據(jù),將它們存入發(fā)送緩沖,然后到信元速率接口控制器。信元速率控制器模塊的功能為：當(dāng)ATM層發(fā)送的信元速率小于ADSL的下行傳送數(shù)據(jù)速率時(shí),信元速率控制器就插入一些空信元來(lái)使兩乾的數(shù)據(jù)速率匹配。HEC生成模塊的功能：處理信元的HEC,提高出現(xiàn)滑碼時(shí)的信元定界能力。在處理信元在接收誤碼計(jì)數(shù)器中記錄下來(lái),用于以后的性能監(jiān)測(cè)中。信元加擾模塊的功能：防止在信元負(fù)荷中出現(xiàn)與HEC相同的情況。幀適配模塊的功能：將信元數(shù)據(jù)流整理成適于ADSL超幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一方面實(shí)現(xiàn)同步,在ADSL中可以通過(guò)填充字節(jié)LEX、AEX來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果發(fā)送時(shí)鐘稍快一點(diǎn),將把固定的字節(jié)數(shù)用完,這時(shí)可以用LEX、AEX來(lái)傳送數(shù)據(jù)。如果發(fā)送時(shí)鐘稍慢一點(diǎn),固定的字節(jié)數(shù)將不會(huì)被用完,這時(shí)候可以不用信號(hào)（ib）來(lái)表示,由外部微處理器來(lái)處理。幀適配模塊的另一方面功能是可以提取aoc、eoc、ib等子節(jié)。并串轉(zhuǎn)換模塊的功能：將數(shù)據(jù)流進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后送入通道分類(lèi)模塊。通道分類(lèi)模塊的功能：將奇數(shù)和偶數(shù)的串行數(shù)據(jù)流合并成一列數(shù)據(jù)流,根據(jù)Utopia接口的TxAdd信號(hào)或者外部微處理器的配置（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與發(fā)送方向數(shù)據(jù)流向相反,不再解釋。

2.2 數(shù)字接口設(shè)計(jì)

根據(jù)ADSL協(xié)議要求,數(shù)字接口主要將信道中的快速和交織的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)擾碼、FEC編碼后形成可以傳送的數(shù)據(jù)。大致框圖如圖3所示。

在發(fā)送方向,從用戶(hù)數(shù)據(jù)接口來(lái)的fast（快車(chē)）通道和interleave(交織)通道的數(shù)據(jù)先分別進(jìn)行CRC校驗(yàn),然后進(jìn)入解幀模塊,在這個(gè)模塊中,將超幀分解為一個(gè)一個(gè)的數(shù)據(jù)幀,存入緩沖中。然后對(duì)fast和interleave數(shù)據(jù)分別進(jìn)行加擾,這種加擾是對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行加擾,加擾后的數(shù)據(jù)進(jìn)入RS編程模塊,之后進(jìn)入發(fā)送FIFO。對(duì)于Interleave數(shù)據(jù),從發(fā)送FIFO出來(lái)以后就進(jìn)行交織處理,然后將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分配,對(duì)每個(gè)子信道分配一定的比特?cái)?shù),這可以參考比持分配表格（在初始化時(shí)計(jì)算出來(lái),存放在緩存之中）。

??? 在接收方向,從DMT調(diào)制模塊來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)入比特解配,對(duì)Interleave數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)de_interleave模塊之后進(jìn)入接收FIFO,然后進(jìn)入RS解碼模塊,當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),將誤碼計(jì)數(shù)器加1,計(jì)數(shù)結(jié)果將用于性能。從RS解碼出來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解擾后,送入組幀模塊,在個(gè)模塊中,將各個(gè)數(shù)據(jù)幀組合成超幀,然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn),最后送到用戶(hù)數(shù)據(jù)接口。

2.3 DMT調(diào)制電路設(shè)計(jì)

DMT調(diào)制是ADSL收發(fā)器片上系統(tǒng)芯片中的重要模塊之一,主要完成數(shù)據(jù)在每個(gè)子信道上的調(diào)制,它的好壞直接關(guān)系到ADSL收發(fā)器芯片性能的好壞。DMT中大部分的計(jì)算都通過(guò)DSP來(lái)完成,如FFT/IFFT、FEQ、TEQ、星座編碼和解碼、Trellis編碼和Viterbi解碼等功能。與DSP的聯(lián)系主要通過(guò)數(shù)據(jù)和程序地址總線(xiàn)來(lái)完成。DMT調(diào)制模塊大致框圖如圖4所示。

在發(fā)送方向,從數(shù)字接口來(lái)的數(shù)據(jù)流已經(jīng)是每個(gè)子信道的比特分配流,這種數(shù)據(jù)流在星座編碼模塊中進(jìn)行星座編碼,將頻域的比特流信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)域的星座平面上的復(fù)數(shù)（X+iY）信號(hào),然后進(jìn)行2D QAM調(diào)制。這時(shí)候可以選擇Trellis編碼（四維格狀態(tài)調(diào)制）,用以產(chǎn)生冗余比特來(lái)增強(qiáng)發(fā)送的可靠性。然后將經(jīng)過(guò)星座編碼后的數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖。由于信道失真或者其他的原因,從緩沖出來(lái)的數(shù)據(jù)在頻率和相位上都與主時(shí)鐘頻率和相位不匹配。所以為了調(diào)整這種不匹配,從緩沖出來(lái)的數(shù)據(jù)先經(jīng)過(guò)頻率調(diào)整和增益微調(diào)（FTG）。頻率調(diào)整是調(diào)節(jié)發(fā)送頻率,保證發(fā)送頻率和理想頻率的一致,FTG是調(diào)節(jié)每個(gè)子載波上的增益稀疏。然后再進(jìn)入快速傅立葉逆變換（IFFT）,將頻域的DMT符號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)域的信號(hào),送入發(fā)送緩沖之中,最后送入模擬前端接口。

在接收方向,從模擬前端接口來(lái)的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)時(shí)域均衡（TEQ）以后的,這些數(shù)據(jù)首先進(jìn)入接收緩沖,之后進(jìn)入快速傅立葉變換（FFT）,將時(shí)域的DMT信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域的信號(hào)（512點(diǎn)）,然后在頻域均衡（FEQ）和相位調(diào)整模塊中消除相應(yīng)的干擾,送入接收緩沖,之后進(jìn)行星座解碼,從而將星座平面的復(fù)數(shù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為比特流。如果接收的數(shù)據(jù)使用了Trellis編碼,那么在星座解碼后的數(shù)據(jù)將再通過(guò)Viterbi解碼模塊之后,送入數(shù)據(jù)接口。

在第64個(gè)子信道中傳送的時(shí)導(dǎo)頻信號(hào),在發(fā)送和接收方向都是通過(guò)DPLL數(shù)字鎖相環(huán)來(lái)保證發(fā)送和接收時(shí)鐘與導(dǎo)頻信號(hào)一致。當(dāng)星座編碼和解碼時(shí),發(fā)現(xiàn)導(dǎo)頻信號(hào)的星座點(diǎn)的位置與理想的點(diǎn)位置不一致時(shí),就要通過(guò)DPLL和相位調(diào)整/頻率調(diào)整模塊來(lái)糾正。同時(shí),監(jiān)視器可以發(fā)送中心斷R_INT4信號(hào)到管理和控制接口。通過(guò)ASB與內(nèi)部ARM核通信。DPLL的功能有：（1）DPLL中恢復(fù)導(dǎo)頻信號(hào)的功能。為了保證收發(fā)時(shí)鐘有固定的相位關(guān)系,在ADSL中采用了插入導(dǎo)頻的方法來(lái)傳送和恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)。發(fā)送器在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用64號(hào)子信道傳送獨(dú)立的導(dǎo)頻信號(hào),抽樣時(shí)鐘頻率為2208kHz,而導(dǎo)頻信號(hào)的頻率為276kHz,恢復(fù)了導(dǎo)頻信號(hào)后,利用鎖相環(huán)鎖住抽樣時(shí)鐘頻率,從而實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的恢復(fù)。（2）在PLL中通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘源產(chǎn)生內(nèi)部的所需時(shí)鐘。其中內(nèi)部所需時(shí)鐘包括：CPU時(shí)鐘、DSP時(shí)鐘、各種算法的時(shí)鐘等。PLL鎖相環(huán)的外界參考晶體的頻率可以為：35.328MHz。

在Trellis編碼和Viterbi解碼時(shí),分別有一個(gè)誤碼計(jì)數(shù)器與之相連,當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí),誤碼計(jì)數(shù)器加1,加到一定數(shù)值,就通過(guò)發(fā)送中斷信號(hào)T_INT5、R_INT5通知內(nèi)部ARM核。

3 非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)環(huán)路收發(fā)器的睡上系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)難點(diǎn)

3.1 DSP算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

DSP算法是ADSL收發(fā)器SOC芯片的核心,其工作的好壞直接影響整個(gè)芯片的性能,而ADSL收發(fā)器中涉及的DSP技術(shù)又非常復(fù)雜,給設(shè)計(jì)增加了難度。DSP算法的設(shè)計(jì)首先要建立管理模型,以模型為基礎(chǔ)進(jìn)行算法設(shè)計(jì),繼而設(shè)計(jì)優(yōu)化模型并以此為根據(jù)對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化,使算法準(zhǔn)確、穩(wěn)定,能很好地滿(mǎn)足性能要求。下一步就是硬件軟件實(shí)現(xiàn)及二者的協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,驗(yàn)證是為了優(yōu)化VLSI硬件和功能結(jié)構(gòu),有效快速地執(zhí)行算法,最后進(jìn)行DSP系統(tǒng)集成。

3.2 數(shù)模混合設(shè)計(jì)

為了降低功耗,提高電子器件的效率,把模擬前端AFE與微控制器MCU核等集成到一起。在一個(gè)數(shù)字芯片上集成混合信號(hào)內(nèi)核時(shí),缺乏線(xiàn)性電阻是一個(gè)主要問(wèn)題,因?yàn)檫B續(xù)時(shí)間序濾波器要求片上電阻具有良好的可控性和線(xiàn)性。電流開(kāi)關(guān)DAC也要用線(xiàn)性電阻把電流轉(zhuǎn)變成電壓。把數(shù)字噪音與模擬噪音隔離開(kāi)是另外一個(gè)問(wèn)題,必須采用具有較高共模抑制比（CMRR）和電源抑制比的完全差動(dòng)設(shè)計(jì)。

3.3 系統(tǒng)驗(yàn)證問(wèn)題

隨著系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）復(fù)雜性的增加,傳統(tǒng)使用HDL軟件模擬器來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證的方法已經(jīng)不夠用了,它無(wú)法提供所需的性能,以檢查系統(tǒng)功能的正確性。而且SOC芯片的驗(yàn)證需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建立模型,要將很多實(shí)際的情況加入到模型之中,來(lái)證明整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)及芯片都工作正常。因此,需要有一個(gè)靈活的建模環(huán)境,以便處理大量的系統(tǒng)級(jí)方案。處理界面入口（TIP）可以在抽象層軟件和詳細(xì)的硬件實(shí)現(xiàn)之間提供一個(gè)高速鏈接,執(zhí)行任務(wù)軟件、驗(yàn)證系統(tǒng)級(jí)操作以及快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。

3.4系統(tǒng)測(cè)試問(wèn)題

SOC芯片的測(cè)試技術(shù)難度較大。SOC芯片測(cè)試設(shè)備則必須能夠精確地檢測(cè)模擬和數(shù)字兩種電路,并支持掃描檢測(cè)和嵌套式存儲(chǔ)器檢測(cè)。對(duì)輸入引腳加測(cè)試向量,再?gòu)妮敵鲆_觀察結(jié)果的傳統(tǒng)檢測(cè)方法已不適用。因?yàn)?傳統(tǒng)方法測(cè)試向量集會(huì)過(guò)分龐大,執(zhí)行時(shí)間也會(huì)長(zhǎng)得驚人。

4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

采用軟硬件協(xié)同仿真設(shè)計(jì),在大型EDA仿真軟件Cadence的數(shù)字模擬混合設(shè)計(jì)工具Spectra上,用硬件描述語(yǔ)言Verilog完成設(shè)計(jì)輸入,進(jìn)而完成設(shè)計(jì)綜合、功能仿真、布局布線(xiàn)、后仿真和產(chǎn)生構(gòu)造位流文件。

以上介紹了ADSL收發(fā)器片上系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì),給出了相應(yīng)硬件設(shè)計(jì)的具體描述,對(duì)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行了闡述。