基于V.90标准的MODEM的实现

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最常用的接入方式。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。其核心芯片是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，最后给出这种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，经过一次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很难精确地区分出各离散电压，所以，V.90协议在编码端只选用最可靠的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，语音信号经过一次模/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精度、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%精度)，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。