消费者对更快的互联网接入的渴望推动了对非常高数据速率调制解调器的需求。数字用户线(DSL)实现以512Kbps到8Mbps的数据速率将数据传输到远程服务器，比目前56Kbps的调制解调器快得多。这种数据通信速度使因特网能够以新格式(如全动态视频)传输信息，同时大大提高了传统信息访问的及时性。

DSL技术的一个非常重要的特点是连接是通过普通电话线处理的;因此，不需要特殊的高速电缆或光纤连接，每个家庭和办公室都很可能准备好了DSL。另一个特点是数据接口可以与同一电话线上的正常语音通信同时工作。这使得调制解调器在任何时候都可以连接，并且不会干扰使用同一条线路进行正常的呼入和呼出电话或传真。

DSL技术的真正“魔力”源于数字信号处理(DSP)算法和数据编码方案的应用。所述实现具有内置智能，以适应通过电话交换网络的每个连接遇到的数据传输信号条件的广泛变化。先进的专用集成电路已经被开发出来，为个人电脑和手持设备提供小型调制解调器，并能够在单个PCB卡上压缩许多DSL线路，用于电话中心办公室的部署。

然而，就像几乎所有系统的情况一样，DSL仍然需要基本的运算放大器功能来把信号放到电话线上，并从另一端接收到的小信号中挑选出来。尽管许多系统设计人员对DSP和所有数字事物都很熟悉，但当涉及到实现与电话线的物理连接时，他们经常发现他们对问题的理解有点生疏。本系列文章将概述对放大器的要求，并提供元件选择指南，以及与失真性能、功耗和耗散相关的最重要系统问题的影响。

图1显示了一个完整的中心局DSL线路驱动器/接收器。这是提供差分发送信号驱动到线路和差分接收信号检测的基本电路拓扑。通过使用Linear Technology的宽频高速功率放大器作为驱动器和高速低噪声双放大器作为接收器，可以轻松满足DSL的全部要求。采用电流反馈或电压反馈拓扑，该系列驱动器由带宽从35MHz到75MHz的放大器组成，转换速率超过200V/µs，输出电流能力从125mA到超过1安培。接收器系列结合了类似的高速性能和低噪声，小于10nV/√赫兹，静态工作电流小，小于10mA。图1所示器件为LT1795 500mA输出电流、50MHz带宽双运放和LT1361 50MHz双运放，输入噪声电压为9nV/√赫兹电源总电流仅为10mA。

虽然有几种不同的DSL技术(SDSL, HDSL, HDSL2, VDSL和ADSL，仅举几例)，但对这些不同标准的放大器的要求非常相似。这两种方法之间的主要区别，因为它们会影响线路驱动器，是线路驱动器放大器实际接通电话线的功率量。为简单起见，这些文章将重点介绍最近批准的标准ADSL(非对称DSL)，但所讨论的概念同样适用于任何其他标准。

第一部分将概述ADSL的要求及其实现方式，并讨论电路拓扑和用于实现的组件的要求。

ADSL的要求

ADSL的完整规范包含在两个ITU(国际电信联盟)文件G.992.1和G.992.2中，G.992.1用于通常称为全速率ADSL或G.dmt的系统，G.992.2是一种通常称为G.Lite的较低数据速率方法。这两个系统都使用一种称为离散多音(DMT)的技术来传输数据。使用DMT，高达1.2MHz的频带被分成256个独立的音调(也称为子载波)，每个间隔4.3125kHz。由于每个音调携带单独的数据，这项技术就像256个独立的调制解调器并行运行一样。为了进一步提高数据传输速率，每个单独的音调都是正交调幅(QAM)。如图2所示，要传输的数据通过I和Q数据的组合，为每个载波音调创建一个唯一的幅度和相移特性，称为符号。每个音调所代表的符号以4kHz的速率或每秒4000个符号更新。全速率ADSL使用多达15位的数据来创建每个符号。这导致每个音调的理论最大值为60Kb/s。如果所有256个音调并行使用，总理论数据速率可以快到15.36Mb/s。对于G.Lite，每个符号仅使用8位，仅使用一半的载波音调，理论最大数据速率为4.096Mb/s。

在实际的DSL应用程序中，根据通信方向分配音调，如图3所示。大多数音调用于从中央办公室(CO)到最终用户的PC调制解调器(通常称为CPE或客户端设备)的通信。这种交流的方向被称为“下游”。从PC调制解调器到中心办公室(并最终到Internet服务器)的通信方向称为“上游”。从互联网访问的角度来看，在下游方向使用更多音调是有意义的，因为大多数用户下载的信息比他们上传的要多。大多数与服务器的上游通信只是请求信息快速发送到下游。上行和下行数据速率的差异是ADSL被称为非对称DSL的原因。

图3还显示了所使用的所有音调的功率谱密度(PSD)。这决定了需要接通电话线的信号功率的大小。限制功率水平是为了最大限度地减少串扰和干扰到其他电话线，这些电话线包含在往返中心办公室的线路中。所需总功率可由下式确定:

由于用于传输的带宽更宽，因此下游功率要求比上游要求高得多。由于这个原因，全速率ADSL需要比G.Lite更大的线路功率来进行下游传输。对于Full Rate和G.Lite实现，上游功率是相同的。正如将看到的，线路功率要求是为特定应用设计线路驱动器的最重要因素。

表1总结了ADSL调制解调器的特性、电气要求和最大数据速率。

以下是需要注意的重要事项:

ADSL的电话线特性阻抗为100欧姆。这是用来确定所需的电压和电流，以提供适当的线路功率水平。

PAR代表峰值与平均比率。这一项类似于更常见的波峰因子项。这决定了随着时间的推移，相对于RMS电压水平，放在线路上的电压的峰值:

放置在线路上的DMT信号基本上看起来像白噪声，因为许多不同的振幅和相位快速变化的频率同时组合在一起。每个音调的变化被认为是随机的，因为它们是由包含传输信息的任意数据位序列产生的。随着时间的推移，这些信号可以对齐并堆叠起来，形成一个大的峰值信号。如果这个大的峰值没有干净地处理(例如，如果线路驱动器放大器夹住)，则可能发生数据错误，必须检测并重新发送。传输错误是不可避免的，尤其是在电话线这样嘈杂的环境中。这些错误由一个称为误码率(BER)的术语来识别;维持快速和准确的数据传输的可接受水平是每10(7)个符号有一个错误。PAR由随机线信号在10(7)个符号所需的时间间隔内达到某个峰值电压的概率决定。对于DMT信号，该峰值是RMS信号电平的5.3倍。这个因素在确定防止信号削波所需的最小电源电压和线路驱动器的峰值输出电流能力时非常重要。

尽管表1中显示的数据速率非常快，但它们实际上只是理论上的。在电话线路的实际连接中，各种各样的干扰源都会改变1.2兆赫频带的频率响应。这些干扰源可以污染或衰减许多载波，使它们完全无法使用，或者有用，但编码的数据比特数少于最大可能的数量。此外，频率较高的音调比频率较低的音调衰减得更厉害，特别是在电话线较长的时候。

另一个可能导致特定音调无法使用或产生传输错误的问题是驱动线路的放大器产生的失真。失真产品，无论是谐波，互调或信号裁剪，从任何载波音调，产生信号能量的频率空间中使用的其他音调。这种能量还会污染音调的数据内容，并可能导致用于数据传输的音调减少。如果许多音调无法使用或其数据处理能力降低，则任何给定连接的实际数据速率都可能大大低于理论最大值。

DSL调制解调器的最佳特性之一是内置的智能，可以在任何线路条件下获得最快的数据速率。当调制解调器和电话中心局之间的连接启动时，发生的第一个动作称为“训练”。在此间隔期间，两端在每个信道中发送最大功率，以确定最适合使用的信道。DSP算法将自动将最多的数据打包到最佳传输通道中，以最大限度地提高特定连接的数据速率。图4显示了在中心局端测量的G.Lite示例中训练间隔期间的典型线谱。

典型的ADSL线路驱动/接收电路

参考图1，所示的组件将实现全速率ADSL中心局(下游)端口。接下来将讨论电路拓扑和元件选择的重要方面。

变压器耦合

变压器用于将收发器连接到电话线上，主要是为了提供与电话线的隔离。变压器的匝数比可以用来为传输信号提供增益。这个匝比对线路驱动放大器的电源电压有很大的影响。通过变压器将信号从驱动器升压到线路，放大器所需的电压摆幅量就减少了。由于理想的变压器一次和二次功率相等，电压上升，电流下降。使用升压变压器的结果是有益的，因为可以使用更低，更传统的电源电压，但放大器必须具有更高的电流驱动能力。

匝数比的限制主要是接收电路灵敏度的函数。不幸的是，升压变压器会降低从电话线接收到的信号。除了固有的传输线衰减外，变压器对接收信号的进一步衰减可导致接收器停止工作。如果发生这种情况，调制解调器将从线路断开。

在20kHz至2MHz范围内，应选择一个平坦、无失真的频率响应变压器，以覆盖ADSL传输的整个频谱。在相同的频率范围内变压器的最小插入损耗也是可取的。插入损耗，通常用dBm表示，是变压器的功率损耗。驱动放大器必须提供这个额外的功率，以维持电话线上所需的信号功率水平。

变压器端接电阻

在放大器输出端和变压器初级端之间插入两个电阻(称为后端电阻)有两个原因:提供一种检测接收信号的方法，并使调制解调器的阻抗与电话线的阻抗匹配。接收电路是两个差分放大器，为出现在终端电阻上的小信号提供增益。有意地将输入电阻与接收放大器的连接和缩放设置为提供同时发生的发射信号的一阶抵消。这种技术被称为“回声消除”，电路拓扑被称为“2线到4线混合”(2线电话线接口有四根线，两条差分驱动线和两条接收信号线)。从接收信号路径中消除发射信号的方法并不完美。由于信号相移和电阻不匹配，典型的衰减系数为6dB至20dB，较高的频率被取消的次数较少。剩余的传输信号量通过DSP回波抵消算法进行数字抵消。

终端电阻的值是线路阻抗和变压器匝数比的函数。匝数比n的定义是:与电话线相连的绕组(次级绕组)的匝数除以驱动侧绕组(初级绕组)的匝数。为了使调制解调器阻抗与线路阻抗匹配，通过初级绕组的总阻抗由以下关系决定:

为了给变压器的初级提供平衡驱动，使每个功率放大器均匀地分担工作负载，每个终端电阻被设置为R(primary)的一半值。

初级端端电阻的这个值对于从线路接收最大功率也是最佳的。在电话线上接收到的信号，e(RX)，通过线路阻抗驱动副线，Z(line)(名义上是100欧姆)将按照以下关系在主线中发展信号功率:

什么时候也是最大值

虽然终端电阻服务于一个重要的目的，他们也造成显著的信号和功率损失。当电阻器设置为适当的值时，放大器提供的一半功率在这些电阻器中耗散。例如，要向电话线输送100兆瓦的信号功率，需要驱动放大器输出至少200兆瓦的功率。

为什么是差动驱动?

配置为差分增益级的两个放大器通常用于向变压器初级提供信号驱动。这种配置有两个原因:它将放大器的供电电压降低了两倍，并且还消除了放大器造成的任何均匀谐波失真非线性。

对于初级的单端驱动，放大器的电源电压必须足够大，以提供放置到电话线上的DMT信号的完整峰对峰信号摆幅。采用差动驱动，每个放大器只贡献信号峰值幅度的一半;因此，总电源电压只是放置在线路上的峰对峰电压水平的一半。这在概念上如图5所示。这种电源电压的降低使得高速DSL调制解调器卡可以使用计算机中可用的标准电源电压。

差动放大器将理想地消除所有均匀谐波失真产品。这是由于将两个信号之间的差信号(一个信号是另一个信号的反转版本)应用于变压器的初级。这可以通过将放大器的线性输出信号表示为功率级数来数学地表示:

每个输出都是输入信号的线性函数:

用幂级数表示，等于

差分放大器的输入为E(IN)(+)和E(IN)(-);因此:

和

放大级的差分输出为

因此:

它不包含任何偶调和积。均匀谐波的完全消除取决于放大器的增益和相移匹配以及在所关注的频率范围内的信号路径。

放大器的带宽、摆率和噪声要求

为了保持DMT信号的平坦增益和相移恒定，应使用带宽远大于传输信号带宽的高速放大器。发射功率放大器所需的增益量取决于前端(AFE)提供的信号电平，前端是一个电路块，提供线路收发器和DSP处理器之间的接口。增益必须足以为正在实施的DSL标准提供适当的电话线功率(参见表1)。放大器要处理的最大频率也是所应用的标准的函数;这反过来又设置了所需的最小带宽。根据经验，所使用放大器的增益带宽产品规格应至少是所需值的五倍，以保持在传输信号频谱上的线性精度。该规格说明了放大器的无失真、高速信号处理能力。例如，增益为4、最大频率为1.1MHz的全速率ADSL下行发射机需要增益带宽为4.4MHz;因此，应选择增益带宽规格至少为22MHz的放大器。具有较高带宽的部件在1.1MHz工作频带上可以更好地保持出色的增益和相移匹配。

所用放大器的摆幅率并不是那么关键，因为信号频谱通常受到滤波器网络的带宽限制。这些滤波器的阶跃响应减慢了呈现给放大器的信号的上升和下降时间。至少10V/µs的压转率通常是足够的。然而，在宽带放大器设计中，非常快的转换速率基本上是免费的。内部偏置电流充电和放电内部补偿电容器和电路的单个节点电容决定放大器的摆压率。为了制造高频放大器，增加电路偏置电流以最小化关键电路节点的阻抗，并使用小几何晶体管结构来最小化杂散电容。作为高增益带宽产品特性的固有副产品，这导致放大器的极快摆压率。更快的转换速率确保非常快速的动态响应和减少信号失真。

对于用于接收电路的放大器来说，低噪声特性以及宽增益带宽能力是最重要的。在典型连接中，电话线的本底噪声功率谱密度为-140dBm /Hz。这相当于31nV/√的噪声电压赫兹． 接收放大器在20kHz和1MHz之间的频带内的噪声谱密度应低于此水平。Linear Technology提供了几种噪声电压谱小于10nV/√的快速放大器赫兹． 较低的噪声与变压器的匝数比成反比，用于解决噪声底和接收信号的相应降低。

接收到的信号量是用于连接的电话线长度的函数，如图6所示。这被称为循环长度。很长的环路长度会严重衰减传输信号，特别是在较高的信道频率。信道的衰减越大，该信道中可以传输的数据位就越少，从而影响总体通信数据速率。根据经验，接收到的信噪比为18dB时，允许在一个信道中使用两个数据位。在噪声底限以上每增加3dB的额外信号，就可以使用额外的位数据。信噪比为45dB ~ 50dB，在一个通道频率内可交换12位数据。

本系列的下一部分将提供设计计算，以确定电源电压、电流驱动能力以及由此产生的功耗和耗散的最低要求。此外，还将讨论热管理问题。