Guía de diseño del receptor/controlador de línea ADSL, parte 1

Introducción

El deseo de los consumidores de un acceso a Internet más rápido está impulsando la demanda de módems de muy alta velocidad de transmisión de datos. La implementación de la línea de suscriptor digital (DSL) acelera los datos hacia y desde servidores remotos con velocidades de datos de 512 Kbps a 8 Mbps, mucho más rápido que las opciones actuales de módem de 56 Kbps. Esta velocidad de comunicación de datos proporciona a Internet la capacidad de transferir información en nuevos formatos, como video en movimiento, mientras que al mismo tiempo mejora en gran medida la velocidad de acceso a la información tradicional.

Un aspecto muy importante de la tecnología DSL es que una línea telefónica normal maneja la conexión; por lo tanto, no se requiere una conexión especial de cable de alta velocidad o fibra óptica y es probable que todos los hogares y oficinas estén preparados para DSL. Otra característica es que la interfaz de datos puede funcionar simultáneamente con la comunicación de voz normal en la misma línea telefónica. Esto permite que el módem esté conectado en todo momento y sin interrupción se pueda utilizar la misma línea para las llamadas telefónicas o de fax entrantes y salientes normales.

La verdadera "magia" de la tecnología DSL proviene de la implementación de algoritmos de procesamiento de señales digitales (DSP) y esquemas de codificación de datos. Las implementaciones tienen información incorporada para adaptarse a las amplias variaciones en las condiciones de la señal de transmisión de datos asociadas con cada conexión a través de la red de conmutación telefónica. Se desarrollaron ASIC sofisticados para proporcionar pequeños módems para computadoras personales y dispositivos portátiles y la capacidad de compactar muchas líneas DSL en una sola PCB para intercambio telefónico.

Sin embargo, como ocurre con casi todos los sistemas, DSL aún requiere funciones complementarias básicas para enviar la señal por la línea telefónica y recoger las señales pequeñas recibidas en el otro extremo. Si bien muchos diseñadores de sistemas están familiarizados y se sienten cómodos con DSP y todo lo digital, su comprensión de los problemas analógicos a menudo está un poco oxidada cuando se trata de implementar la conexión física hacia y desde la línea telefónica. Esta serie de artículos proporcionará una descripción general de los requisitos impuestos a los amplificadores y brindará pautas para la selección de componentes y las implicaciones para el rendimiento de la distorsión y el consumo y la disipación de energía, los problemas más importantes del sistema asociados con los componentes analógicos.

La figura 1 muestra todo el controlador/receptor de la línea DSL de la oficina central. Esta es la topología de circuito básica que proporciona control de señal de transmisión diferencial línea a línea y detección de señal recibida diferencial. Los requisitos completos de DSL se cumplen fácilmente utilizando dispositivos de la amplia gama de amplificadores de potencia de alta velocidad de Linear Technology para el controlador y amplificadores duales de alta velocidad y bajo ruido para el receptor. Usando topologías de retroalimentación de corriente o retroalimentación de voltaje, la familia de controladores consta de amplificadores con anchos de banda de 35 MHz a 75 MHz, velocidades de respuesta superiores a 200 V/µs con capacidades de corriente de salida de 125 mA a más de 1 A. La familia de receptores combina rendimiento de velocidad con bajo nivel de ruido, menos de 10 nV/√hercios, y baja corriente de funcionamiento en reposo, menos de 10 mA. Los dispositivos que se muestran en la Figura 1 son la corriente de salida LT1795 de 500 mA, el optoamplificador de ancho de banda dual de 50 MHz y el amplificador dual LT1361 de 50 MHz con un voltaje de ruido de entrada de 9 nV/√hercios y una corriente de suministro total de solo 10mA.

Aunque existen muchas variaciones en la tecnología DSL (SDSL, HDSL, HDSL2, VDSL y ADSL, por nombrar algunas), los requisitos que se imponen a los amplificadores para estos diferentes estándares son muy similares. La principal diferencia entre los enfoques, ya que afectan al controlador de línea, es la cantidad de energía que el amplificador del controlador de línea suministra a la línea telefónica. Para simplificar, estos artículos se centrarán en el estándar aprobado más recientemente, ADSL (DSL asimétrico), pero los conceptos discutidos se aplican igualmente a todos los demás estándares.

La primera entrega proporcionará una descripción general de los requisitos de ADSL y cómo se fabrica, así como una discusión sobre la topología del circuito y los requisitos de los componentes utilizados para la implementación.

Requisitos para ADSL

Las especificaciones completas para ADSL están contenidas en dos documentos de la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) llamados G.992.1, para sistemas a menudo denominados ADSL de velocidad completa o G.dmt, y G.992.2, enfoque de velocidad completa de datos a menudo más bajos. conocido como G. Leger. Ambos sistemas utilizan una técnica llamada multitono discreto, o DMT, para transmitir datos. Con DMT, una banda de frecuencia de hasta 1,2 MHz se divide en 256 tonos separados (también llamados subportadoras), cada uno con una separación de 4,3125 kHz. Con cada tono transportando datos separados, la técnica funciona como si hubiera 256 módems separados operando en paralelo. Para aumentar aún más la velocidad de transmisión de datos, cada tono individual es modulación de amplitud en cuadratura (QAM). Como se muestra en la Figura 2, los datos que se transmitirán se utilizan para crear una característica única de amplitud y cambio de fase para cada tono portador, a través de la combinación de datos I y Q, denominado símbolo. Los símbolos que representan cada tono se actualizan a una velocidad de 4 kHz o 4000 símbolos por segundo. ADSL de tarifa completa utiliza hasta 15 bits de datos para crear cada símbolo. Esto da como resultado un máximo teórico de 60 Kb/s para cada tono. Si los 256 tonos se usan simultáneamente, la velocidad de datos teórica total puede alcanzar los 15,36 Mb/s Para G.Lite, solo se usan 8 bits por símbolo y solo la mitad de los tonos portadores se usan para la velocidad de datos teórica máxima de 4,096 Mb/s .

En una aplicación DSL real, los tonos se asignan para su uso en función de la dirección de la comunicación, como se muestra en la Figura 3. La mayoría de los tonos se utilizan para la comunicación entre la oficina central (CO) y el módem de la PC del usuario final (a menudo denominado el CPE o Equipo en las Instalaciones del Cliente). Esta dirección de comunicación se denomina "aguas abajo". La dirección de la comunicación desde un módem de PC a la oficina central (y finalmente a un servidor de Internet) se denomina "aguas arriba". El uso de más tonos para la dirección descendente tiene sentido desde el punto de vista del acceso a Internet porque la mayoría de los usuarios descargan más información de la que realmente descargan. La comunicación aguas arriba con un servidor es simplemente enviar una solicitud de información rápidamente aguas abajo. Esta diferencia en la velocidad de datos ascendente y descendente es la razón por la que ADSL se denomina DSL asimétrico.

La figura 3 también muestra la densidad espectral de potencia (PSD) de todos los tonos utilizados. Esto determina la cantidad de intensidad de la señal que debe transmitirse a la línea telefónica. Los niveles de potencia están limitados para minimizar la diafonía y la interferencia con otras líneas telefónicas contenidas en paquetes de cables en camino hacia y desde la oficina central. La potencia total requerida se puede determinar a partir de la siguiente ecuación:

Los requisitos de potencia descendente son mucho más altos que los requisitos ascendentes debido al mayor ancho de banda utilizado para la transmisión. Por esta razón, ADSL a la máxima velocidad requiere más potencia de línea que G.Lite para la transmisión descendente. La potencia aguas arriba es la misma para la operación Full Rate y G.Lite. Como se verá, el requerimiento de potencia de línea es el factor más importante en el diseño de un controlador de línea para una aplicación particular.

La Tabla 1 resume las especificaciones, los requisitos de alimentación y las velocidades de datos máximas para un módem ADSL.

Aquí están las cosas importantes a tener en cuenta:

La impedancia característica de la línea telefónica para ADSL es de 100Ω. Esto se utiliza para determinar el voltaje y la corriente necesarios para proporcionar el nivel de potencia de línea adecuado.

El término PAR significa relación pico-promedio. Este término es similar al término más común factor de cresta. Determina el valor pico de la tensión aplicada a la línea a lo largo del tiempo en relación con el nivel de tensión efectivo:

La señal DMT aplicada a la línea parece esencialmente ruido blanco porque muchas frecuencias diferentes de amplitud y fase que cambian rápidamente se suman simultáneamente. Los cambios en cada tono se consideran aleatorios porque resultan de una secuencia arbitraria de bits de datos que componen la información transmitida. Con el tiempo, las señales pueden alinearse y apilarse para crear una gran señal de pico. Si este pico grande no se maneja correctamente (por ejemplo, si el amplificador del controlador de línea se satura), puede haber errores de datos que deben detectarse y restaurarse. Los errores de transmisión, especialmente en un entorno ruidoso como las líneas telefónicas, son inevitables. Estos errores se identifican mediante un término denominado tasa de error de bit (BER); Un error de cada 10 es un nivel aceptable para mantener una transmisión de datos rápida y precisa^Siete simbolos PAR está determinado por la probabilidad de que la señal de línea aleatoria alcance un cierto voltaje máximo durante el intervalo de tiempo requerido para 10^Siete simbolos Para la señal DMT, este valor máximo es 5,3 veces el nivel de la señal RMS. Este factor es extremadamente importante para determinar el voltaje de suministro mínimo requerido para evitar el recorte de la señal y para determinar la capacidad de corriente de salida máxima del controlador de línea.

Aunque las tasas de datos que se muestran en la Tabla 1 son extremadamente rápidas, en realidad son teóricas. En una conexión de línea telefónica real, todos los tipos de fuentes de interferencia cambiarán la respuesta de frecuencia en la banda de 1,2 MHz. Estas fuentes de interferencia pueden corromper o atenuar suficientes tonos portadores para hacerlos completamente inutilizables, o útiles solo con menos del número máximo de bits de datos codificados. Además, los tonos de alta frecuencia se atenúan más que los tonos bajos, especialmente en líneas telefónicas más largas que se utilizan para realizar la conexión.

Otro problema que puede inutilizar ciertos tonos o causar errores de transmisión es la distorsión del amplificador que conduce la línea. Los productos de distorsión, ya sean armónicos, intermodulación o recorte de señal, de uno de los tonos portadores crean energía de señal en los espacios de frecuencia utilizados por otros tonos. Esta energía también corrompe el contenido de datos de los tonos y puede causar una reducción en la cantidad de tonos utilizados para transmitir datos. Si no se pueden utilizar suficientes tonos o se reduce su capacidad de manejo de datos, la velocidad de datos real para una conexión dada puede ser mucho más baja que la velocidad máxima teórica.

Una de las mejores características de un módem DSL es la información incorporada para lograr la velocidad de datos más rápida para cualquier conjunto de condiciones de línea. Cuando se establece una conexión entre un módem y la oficina central, la primera acción que se produce se denomina "aprendizaje". Durante este intervalo, ambos transmiten la máxima potencia en cada canal para determinar qué canales son los más adecuados para su uso. Los algoritmos DSP envolverán automáticamente los datos más grandes en los mejores canales de transmisión para maximizar el rendimiento de datos para una conexión determinada. La Figura 4 muestra un espectro de líneas típico durante un intervalo de entrenamiento en la muestra G.Lite, medido al final de la oficina central.

Un circuito típico de controlador/receptor de línea ADSL

Con referencia a la Figura 1, los componentes que se muestran implementarán un puerto de oficina central ADSL de velocidad completa (descendente). La siguiente es una discusión de la topología del circuito y aspectos importantes de la selección de componentes.

Transformadores de acoplamiento

Se utiliza un transformador para conectar el transceptor a la línea telefónica, principalmente para proporcionar aislamiento de línea. La relación de vueltas del transformador se puede utilizar para proporcionar ganancia a la señal transmitida. Esta relación de transformación tiene un gran efecto en los voltajes de suministro del amplificador de accionamiento de línea. Al aumentar la señal del controlador a la línea a través del transformador, se reduce la cantidad de oscilación de voltaje requerida por el amplificador. Debido a que un transformador ideal tiene igual potencia en el primario y en el secundario, y al aumentar el voltaje, la corriente disminuye. Las consecuencias de usar un transformador elevador son beneficiosas porque se pueden usar voltajes de suministro más bajos y convencionales, pero los amplificadores deben tener una capacidad de excitación de corriente más alta.

El límite de relación de giro es principalmente una función de la sensibilidad del circuito receptor. Desafortunadamente, los transformadores elevadores reducirán la señal recibida de la línea telefónica. La atenuación adicional de la señal recibida por el transformador, así como la atenuación inherente de la línea de transmisión, pueden hacer que el receptor deje de funcionar. Si esto sucede, el módem se desconectará de la línea.

Se debe seleccionar un transformador para una respuesta de frecuencia plana y sin distorsiones de 20 kHz a 2 MHz para cubrir todo el espectro de frecuencia para la transmisión ADSL. También es deseable introducir pérdidas mínimas en el transformador en el mismo rango de frecuencia. La pérdida de inserción, generalmente especificada en dBm, es la potencia perdida en el transformador. El amplificador del controlador debe proporcionar esta potencia adicional para mantener el nivel de potencia de señal requerido en la línea telefónica.

Resistencias de terminación de transformadores

Las dos resistencias (llamadas resistencias de terminación de cola) que se muestran entre las salidas del amplificador y el transformador principal se insertan por dos razones: proporcionar una forma de detectar la señal recibida y hacer coincidir la impedancia del módem con la impedancia del teléfono. . línea. El circuito receptor contiene dos amplificadores diferenciales que proporcionan ganancia para señales pequeñas que aparecen a través de resistencias de terminación. La conexión y el escalado de las resistencias de entrada a los amplificadores del receptor están dispuestos deliberadamente para proporcionar una cancelación de primer orden de la señal transmitida que se produce simultáneamente. Esta técnica se denomina "cancelación de eco" y la topología del circuito se denomina "híbrido de 2 hilos a 4 hilos" (la línea telefónica de 2 hilos interactúa con cuatro hilos, las dos líneas de control diferencial y las dos líneas de señal de recepción). La cancelación de la señal transmitida del camino de la señal recibida no es perfecta. Debido a los cambios de fase de la señal y los desajustes de la resistencia, es típico un factor de atenuación de 6 dB a 20 dB, y las frecuencias más altas se cancelan menos. La cantidad restante de la señal transmitida se cancela digitalmente mediante los algoritmos de cancelación de eco del DSP.

El valor de las resistencias terminadoras depende de la impedancia de línea y de la relación de transformación del transformador. La relación de giro, no, definido por el número de vueltas del devanado conectado a la línea telefónica (el secundario) dividido por el número de vueltas del devanado del lado del conductor (el primario). Para hacer coincidir la impedancia del módem con la impedancia de la línea, la siguiente relación determina la impedancia total en el devanado primario:

Para proporcionar un impulso equilibrado al primario del transformador, de modo que cada amplificador de potencia comparta la carga de trabajo por igual, cada resistencia de terminación se establece en un valor de la mitad de R_{ESCUELA PRIMARIA}.

Este valor de resistencia de terminación en el primario también es óptimo para obtener la máxima potencia de la línea. La señal recibida en la línea telefónica, e_radiografíaconduciendo el secundario a través de la impedancia de línea, Z_LÍNEA (100 Ω nominales) la potencia de la señal en el primario se desarrollará de acuerdo con la siguiente relación:

que también es máxima cuando

Aunque las resistencias de terminación cumplen una función importante, también provocan una pérdida significativa de señal y potencia. Con las resistencias ajustadas a su valor correcto, la mitad de la potencia entregada por los amplificadores se disipa en estas resistencias. Para entregar 100 mW de potencia de señal a la línea telefónica, por ejemplo, los amplificadores del controlador deben producir al menos 200 mW de potencia.

¿Por qué diferencial?

Por lo general, se utilizan dos amplificadores configurados como una etapa de ganancia diferencial para proporcionar señal a la etapa base del transformador. Hay dos razones para esta configuración: reduce la tensión de alimentación del amplificador por un factor de dos y también cancela cualquier no linealidad, incluso la distorsión armónica introducida por los amplificadores.

Con el control primario de un solo extremo, el voltaje de suministro del amplificador debe ser lo suficientemente alto como para proporcionar una oscilación completa de la señal de pico a pico para la señal DMT colocada en la línea telefónica. Con la transmisión diferencial, cada amplificador agrega solo la mitad de la amplitud máxima de la señal; por lo tanto, el voltaje de suministro total es solo la mitad del nivel de voltaje de pico a pico aplicado a la línea. Esto se muestra conceptualmente en la Figura 5. Esta reducción en el voltaje de suministro permite el uso de voltajes de suministro estándar disponibles en las computadoras para la tarjeta de módem DSL de alta velocidad.

Idealmente, un amplificador diferencial cancelará todos los productos de distorsión armónica uniforme. Esto se debe a la aplicación de una señal que es la diferencia entre dos señales, siendo una señal una versión invertida de la otra, al nivel primario del transformador. Esto se puede representar matemáticamente representando las señales de salida lineales de los amplificadores como una serie de potencias:

Cada salida es una función lineal de la señal de entrada:

que, representada por una serie entera, es

E son las entradas del amplificador diferencial_EN⁺ el verano_EN^–; Asi que:

y

Es la salida diferencial de la etapa del amplificador.

Asi que:

que no hay producto armónico igual. La cancelación total de los armónicos depende de la coincidencia de cambio de fase y ganancia de los amplificadores y las rutas de señal en el rango de frecuencia de interés.

Requisitos de ancho de banda, velocidad de respuesta y ruido de los amplificadores

Se deben usar amplificadores de alta velocidad con un ancho de banda mucho más amplio que el ancho de banda de la señal transmitida para mantener la misma ganancia y el cambio de fase constante de las señales DMT. La cantidad de ganancia requerida en los amplificadores de potencia de transmisión depende de los niveles de señal proporcionados por el extremo frontal analógico (AFE), que es un bloque de circuito que proporciona la interfaz entre el transceptor de línea y el procesador DSP. La ganancia debe ser suficiente para colocar la cantidad correcta de energía en la línea telefónica para el estándar DSL que se está implementando (consulte la Tabla 1). La frecuencia máxima a procesar por el amplificador también depende del estándar aplicado; esto, a su vez, establece el ancho de banda mínimo requerido. Como regla general, la especificación del producto ganancia-ancho de banda de los amplificadores utilizados debe ser al menos cinco veces el valor requerido para mantener la precisión lineal en todo el espectro de la señal transmitida. Esta especificación proporciona una indicación de la capacidad de procesamiento de señales sin distorsiones y de alta velocidad del amplificador. Por ejemplo, un transmisor ADSL descendente de tasa completa con una ganancia de cuatro y una frecuencia máxima de 1,1 MHz necesita un ancho de banda de ganancia de 4,4 MHz; por lo tanto, se deben seleccionar amplificadores con una especificación de ancho de banda de ganancia de al menos 22 MHz. Las secciones de mayor ancho de banda son aún mejores para preservar una excelente ganancia y ajuste de cambio de fase en la banda operativa de 1,1 MHz.

La velocidad de respuesta de los amplificadores utilizados es menos crítica, ya que el espectro de la señal suele estar limitado por las redes de filtros. La respuesta de fase de estos filtros ralentiza los tiempos de subida y bajada de las señales presentadas a los amplificadores. Por lo general, es suficiente una velocidad de respuesta de al menos 10 V/µs. Sin embargo, las velocidades de respuesta muy rápidas son inherentemente económicas en los diseños de amplificadores de banda ancha. Las corrientes de polarización internas que cargan y descargan los condensadores de compensación interna y la capacitancia de los nodos de circuito individuales determinan la velocidad de respuesta del amplificador. Para producir un amplificador de alta frecuencia, se aumentan las corrientes de polarización del circuito para minimizar las impedancias en los nodos críticos del circuito y se utilizan estructuras de transistores de geometría pequeña para minimizar las capacitancias parásitas. Esto da como resultado tasas de caída muy rápidas para el amplificador como un subproducto fundamental de la característica del producto de ancho de banda de alta ganancia. Las velocidades de giro más rápidas garantizan una respuesta dinámica muy rápida y una distorsión de la señal reducida.

Las características de bajo ruido, así como la capacidad de ancho de banda de amplia ganancia, son fundamentales para los amplificadores utilizados en los circuitos receptores. En una conexión típica, una línea telefónica tendrá una densidad espectral de potencia de ruido de fondo de –140dBm/Hz. Esto equivale a un voltaje de ruido de 31nV/√hercios. El amplificador del receptor debe tener una densidad espectral de ruido en la banda entre 20 kHz y 1 MHz por debajo de este nivel. La tecnología lineal proporciona multiamplificadores rápidos con un espectro de voltaje de ruido por debajo de 10 nV/√hercios. Se requiere un ruido más bajo en proporción inversa a la relación de espiras del transformador utilizado para hacer frente a la reducción concomitante tanto del ruido de fondo como de la señal recibida.

La cantidad de señal recibida depende de la longitud de la línea telefónica utilizada para realizar la conexión, como se muestra en la Figura 6. Esto se denomina longitud del bucle. Las longitudes de bucle muy largas pueden atenuar significativamente la señal transmitida, especialmente en frecuencias de canal más altas. Cuanto mayor sea la atenuación de un canal, menos bits de datos se pueden transmitir en ese canal, lo que afecta la velocidad de comunicación de datos general. Normalmente, con una relación señal/ruido recibida de 18 dB, se pueden utilizar dos bits de datos en un canal. Con cada 3 dB adicionales de señal por encima del nivel de ruido, se pueden usar algunos datos adicionales. Con una relación señal-ruido de 45 dB a 50 dB, se pueden intercambiar 12 bits de datos en una sola frecuencia de canal.

La próxima entrega de esta serie proporcionará los cálculos de diseño para determinar los requisitos mínimos de voltaje de suministro, capacidad de conducción actual, lo que resulta en consumo y disipación de energía. Además, se discutirán los problemas de manejo del calor.