基于V.90标准的MODEM的实现

时间：2007-05-25

摘要：作者以CX88168单片调制解调芯片为，设计了一种基于V.90标准的高速MODEM。对V.90高速 MODEM的工作模型、硬件构成、设计中应注意的问题及其功能调试等进行了详细介绍。
关键词： CX88168器件 V.90标准 MODEM

随着因特网的普及和发展，上网的用户数正不断增加，各种各样的上网手段层出不穷。但对于广大网民来说，采用MODEM进行数据传输却是一种常用的接入方式。面对这样一个巨大市场，世界各大芯片制造商相继推出了自己的MODEM芯片组，并不断在简化硬件设计和提高MODEM的传输速率上下功夫。ROCKWELL公司(由CONEXANT公司生产)推出了一款全新的MODEM芯片组--SmartSCM/56S，它能支持新一代计算机高速MODEM标准--V.90，并向下兼容ROCKWELL原有的56k MODEM 标准--K56flex，以及ITU-T的V.34、V.32bis、V.22、V.21等协议标准。其芯片是CX88168单片调制解调芯片，外加一片CX20463线路接口芯片和一片CX20437语音编解码芯片。该芯片组所用的芯片数较少、外围电路简单，采用它可以较快地设计出体积小、功能强、支持多种协议和多种应用的高速MODEM。
本文将就这种符合V.90标准的高速MODEM的工作模型、硬件构成、设计中应注意的问题等进行系统的描述，给出这种MODEM的一些调试方法。

1 V.90高速MODEM的工作模型及原理
在讨论V.90高速 MODEM 电路设计之前，先阐述一下V.90高速MODEM的工作模型和工作原理。
基于V.90 标准的MODEM与通常的V系列MODEM有所不同，它在设计上突破了传统的对称通信模式，采用的是一种不对称的通信模式(如图1所示)，使用户在进行终端到网络运营商的连接时(Home to ISP)，可以享受56kb/s的下行速率，而上行速率仍然和原有V.34MODEM一样，只有33.6kb/s。

该不对称通信模型与传统的对称通信模型的本质差别在于：ISP点的数字V.90 MODEM是采用B交换局提供的数字专线直接与局间高速数字线路相连，使ISP点到用户的下行信道不再需要经过Ｂ交换局交换机中A律A/D转换器，从而突破了因A/D转换器引入量化噪声所产生的MODEM速率瓶颈。
从信息编码角度看，下行信道之所以能达到56kb/s的传输速率，其原因就在于下行方向采用PCM编码技术，ISP点与交换局是通过数字接口连接的，下行数字数据无需进行A律A/D转换，而直接通过数字复接设备进入数字交换网。到达交换局A后，经过A律D/A转换和脉冲形成滤波，PCM码就被转换成相应的离散电压，并通过电话线送到客户端V.90模拟MODEM上。客户端V.90模拟MODEM把接收到的信号重新转换成离散的PCM码，并解码输出发端所发送的信息。
本文所设计的模拟V.90 MODEM的解码任务就是鉴别这256个可能的离散电压值(8bit的PCM编码)，并将其还原为8000 PCM码/秒(采样率8000次/秒)。因此，从理论上说采用PCM编码技术的模拟V.90 MODEM，其数据下行速率应能接近64kb/s。但是，采用A律解扩技术的D/A转换器在接近于零的各个DAC输出电压太过接近，使得信号在经过噪声线路传输后，模拟V.90 MODEM很难地区分出各离散电压，所以，V.90协议在编码端只选用可靠的128个电压用于56kb/s下行速率。
在模拟V.90 MODEM连接的上行信道中，需要经过A交换局的A律A/D转换器，这就必然会引入量化噪声，这种采用A律13折线压缩非均匀量化的信噪比可用下式计算8，即

其中，

式中，c表示语音信号的动态范围，px表示语音信号的幅度概率密度服从拉普拉斯分布，n为PCM编码的位数，dy/dx表示13折线各段所对应的斜率。根据上述公式，本文给出用MATLAB绘出的A律13折线压缩非均匀量化信噪比的特性曲线(见图2)。

从图2中可看出，语音信号经过模/数转换，其信噪比只有35～37dB。一般电话通信设备在设计时，基本上都是按40dB的输入动态范围考虑，如果假设非均匀量化信噪比S/N＝35dB，电话线实际可利用的带宽W＝3000Hz，根据Shannon定理，在带宽受限的信道上信息传输速率X(bit/s)计算公式为：
X＝Wlog21＋10 S/N /10  5
因而，我们可从理论上估算出本文所设计的模拟V.90 MODEM的上行通信速率应在35 kbit/s以下。用V.34协议进行通信时，上行通信速率限定在33.6 kbit/s以下。

2 V.90高速MODEM的实现及其性能特点
CX88168单片调制解调芯片(SCM)是128pin的TQFP封装，内部包含微控制器(MCU)，数据泵(MDP)、256K字节ROM、32K字节RAM以及与DAA的接口电路。此外，CX88168还可以根据实际需要外接256kbit串行EEPROM、4Mbits ROM/flash ROM和1Mbit RAM。与CX88168相配套的DAA芯片是CX20463，用以提供与外围电话电路的模拟接口。如果需要MODEM提供语音功能，还需要增加一片语音编解码芯片CX20437。笔者采用这套芯片组设计了一种基于V.90的高速MODEM，其硬件原理框图如图3所示。

这种高速MODEM总体上可分为三个部分：一个是数字部分，主要完成AT命令的解释和处理、数字信号的调制和解调。以及一些其他数字信号的处理；另一个是DAA模拟线路接口部分（图3中虚线框内），主要提供与电话网的模拟接口；再一个就是语音模拟部分(图3中点划线框内)，这部分主要是话筒及麦克风的接口电路。DAA模拟线路接口部分与数字部分通过数字隔离变压器来隔离，CX88168通过隔离变压器传送CX20463所需的数据时钟信号并提供电源，它们之间的数据通过10Pf/2kV的高压电容进行传输。采用这种设计方法可将DAA线路接口部分与MODEM的其它部分完全隔离开来，避免了两部分电路相互干扰，也可防止电话线路的高电压损坏MODEM的调制解调芯片。CX20463及其外围接口分立元件主要完成输入/输出信号的增益控制、振铃检测、数/模转换等功能，并要求在摘机状态下为电话线路提供600Ω的负载。语音编解码芯片CX20437内有A/D、D/A及语音编解码电路，使MODEM增加了语音处理功能。图３中专门配置的EEPROM 用于修改CX88168内ROM的厂家Caller ID设置以及其它用户参数设置。当MODEM上电后会首先调用EEPROM内用户设置的内容。MAX3237用于实现RS232/TTL电平转换。74HC244用于驱动指示用的一组发光二极管。
本文所设计的ＭＯＤＥＭ具有以下几个性能特点：
(1)支持ITU-T V.90/K56flex/V.34/V.32bit/V.22/V.21协议；
(2)支持ITU-T V.42 LAPM 和 MNP 2-4 数据纠错协议；
(3)支持ITU-T V.42bis 和 MNP 5 数据压缩
协议；
(4)支持全双工的语音通话模式；
(5)支持Caller ID功能；
(6)支持即插即用功能；
(7)提供EEPROM电路，使用户可对MODEM应用参数进行设置； (8)+3.3V电源供电，但允许DTE输入TTL电平。

3 V.90高速MODEM设计应注意的问题
MODEM的设计很重要的一环就是抗干扰、抗噪声设计，这里包括器件的选择、各种接口的设计以及电路板的设计等。这是由于MODEM内既有高速数字信号处理电路，又有模拟电路，还有DAA模拟线路接口电路。这三种线路的电气特性各不相同，处理不好极易引起相互间的干扰，轻则使MODEM的速率下降，重则使MODEM无法正常工作。
3.1 器件的选择
MODEM设计中模拟器件的选择是十分讲究的，特别是DAA模拟线路接口部分的电阻、电容、三极管等器件，设计时对这些器件的、耐压、容量等参数都有严格的要求。DAA模拟线路接口电路中的阻抗匹配电路、收发电路等就要求其外围电阻采用精密电阻(1%)，这些电阻的选择将直接影响MODEM速率的高低。而DAA模拟线路接口电路中振铃检测电路、模拟摘机电路、RJ-11接口的抗电磁干扰电路则对所选的电容、三极管的耐压有严格的要求。RJ-11接口的抗电磁干扰电路所用的电容一般要求能有2000V以上的耐压，这主要是为了防止雷击对电路的损害。振铃检测电路的隔直电容均要求有250V以上的耐压，这是为了防止振铃信号(有效值75±15V)击穿电容。构成模拟摘机电路的两个三极管组成达林顿电路，该电路的主要作用是在电话摘机后，为电话线路提供600Ω的负载(电话摘机后，电话线路的环路电流必须大于18mA)，要求这两个三极管的耐压要在400V以上，因为在电话振铃期间，MODEM进行模拟摘机时，如果三极管的耐压不够，振铃信号极易击穿管子。图4给出了MODEM的模拟摘机电路。

3.2 电路的抗干扰设计
MODEM电路抗干扰设计是设计中很重要的一环，它涉及许多方面的知识和一些细节问题。限于篇幅，本文仅就设计中应遵循的基本原则和电源连接做一些介绍。
3.2.1 基本原则
· 从布局来说，MODEM的数字部分、语音模拟部分、DAA模拟线路接口部分这三部分应各自独立。数字和语音模拟部分占线路板的3/4，DAA模拟部分占1/4。除DAA模拟部分所占区域外的所有空余部分(包括芯片的底部)，尽量用数字地填充(双面板的数字地通过过孔多点相连)。
·数字信号线、语音模拟信号线、DAA模拟信号线不要靠在一起平行走线，这样可避免数字信号对模拟信号产生干扰。
·高速数据线、时钟线、晶振引出线等易产生干扰的轨线应尽量短，尽量不经过过孔。所谓的易产生干扰的轨线具体指的是串行数据线、CX88168与CX20463连接的时钟线和数据线、CX88168外挂的28.224MHz的晶振引线。
·语音模拟信号线、DAA模拟信号线等易受干扰的轨线也应尽量短，尽量远离数字信号。所谓的易受干扰的轨线主要是指CX20737电路的VREF、VC、麦克风和听筒的引线及CX20463与电话线相连的轨线。
·所有信号线应远离振荡电路，28.224MHz晶振的金属外壳应接地。
·无论是数字地还是模拟地，接地走线都不要形成回环。
·为了减小电磁干扰，MODEM的所有引入线的接口端都应串接高频磁珠，至少在电源接口和电话线接口端要加高频磁珠和高频滤波电容。
·芯片电源和地之间用0.1μF独石电容和10μF的钽电容并接去耦。如果电源走线较长，需每隔一段加一组去耦电容。
3.2.2 电源的连接问题
MODEM内的各部分电路均有自己的电源，各电源间有的相互独立，有的又相互联系。①以CX88168为的数字电路部分采用+3.3V电源供电(VCC)，数字电路的接地线和电源地接在一起形成大面积的数字地(GND)。②具有A/D和D/A转换功能的语音芯片CX20437的供电电路由两部分组成，数字部分的供电电源还是+3.3V电源供电(VCC)，这部分的地线也是数字地(GND)；另外一部分是模拟部分，模拟电源线(AVCC)汇集在一起后通过软铁氧体磁珠接入+3.3V电源(VCC)，模拟地线(AGND)汇集在一起后通过短路线单点接入数字地(GND)。③以CX20463为的DAA模拟线路接口部分的供电也分成模拟和数字两部分，这两部分的电源与+3.3V电源完全隔离，数字部分的电源(DVDD)和模拟部分的电源(AVDD)是通过对隔离变压器次级输出的交变信号进行半波整流、滤波、稳压而得到的， DVDD和AVDD之间用短而粗的轨线相接。这部分的模拟地(AGND-LSD)和数字地(GND-LSD)也是各自汇集成两块地，通过短路线单点彼此相连，这部分的地是浮地，和电话线路相接。

4 V.90高速MODEM的功能测试
在确认所有设计、安装、焊接基本上没什么问题后，就可以上电测试MODEM了。MODEM上电后，单片调制解调芯片(CX88168)首先进行自检，DTR指示灯先亮后灭，CTS指示灯在DTR指示灯熄灭后亮起来，这表示MODEM自检通过，处于等待发送状态。将MODEM与计算机串口相连，打开MODEM的电源，并启动超级终端软件，正常情况下DTR指示灯和RTS指示灯常亮，CTS指示灯随后也亮起来，这表明计算机已和MODEM相连，可以进行通信。这时输入"AT"命令，计算机屏幕上应能显示MODEM回送的"OK"信息，自此，基本上可保证MODEM的调制解调部分硬件上没什么问题。如果接入计算机，DTR指示灯不亮，表明数据终端没有和MODEM建立连接，应检查串口电路是否连接正确，是否接口电路设计存在问题。
接下来就是对DAA电路的测试。用 AT命令拨号，如果能拨通电话，就表明DAA电路部分工作正常。如果无法拨通，首先应检查模拟摘机电路工作是否正常，通常在拨号状态下电话线路上的电压应低于10V(这时环路电流并不好测)，如达不到该要求应调整模拟摘机电路的相关参数。
上述过程都测试完成后，接下来就是对语音电路和Call ID功能的测试。

根据表1所提供的有关MODEM语音模式的AT命令，用户就可以利用MODEM的语音功能和普通电话用户通话。如果对方听到的声音呈断续状态，表明MODEM的麦克风输入增益调得太高，造成语音信道阻塞，这时可调整麦克风输入增益，或将话筒适当拿远一些。如果用户有申请Call ID功能，那么计算机在收到个MODEM返回代码"R"后，就可以收到Call ID信息。当MODEM初始化命令设为"AT+VCID＝1"时，Call ID信息是以ASCII码形式返回，信息格式如下(以实际收到的数据为例)：
DATE ＝ 1103
TIME ＝ 1610
NMBR ＝ 2183056
如果无法正确显示，应检查一下MODEM的国家代码设置是否正确，写入EEPROM内的有关Call ID 的设置是否正确。
完成上述几个步骤的测试后，是对MODEM进行系统测试。用所设计的MODEM拨号上网，用"AT#UD"、"AT%L"、"AT%Q"测试MODEM，如果发现MODEM的传输速率偏低，这一般是由于MODEM与电话线相接的匹配电阻和稳定性不高，或是电路板的设计、布局及本身质量出了问题造成的。可以适当调整匹配电阻，或是重新设计电路板，直到获得满意的效果为止。

参考文献:

[1]. CX20463 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CX20463_238799.html.
[2]. CX20437 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CX20437_238798.html.
[3]. TQFP datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TQFP_1528902.html.
[4]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[5]. MAX3237 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX3237_1107768.html.
[6]. 74HC244 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/74HC244_961022.html.

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