基于CX88168、CX20463和CX20437芯片实现高速MODEM的设计
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
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。
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为核心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为核心的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，最后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，那么计算机在收到第一个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，最后是对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精度和稳定性不高，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。
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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。
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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
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：
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（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。
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。
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·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为核心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为核心的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，最后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。
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date ＝ 1103
time ＝ 1610
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