Qorvo專家筆記：如何通過靈活上行架構(gòu)滿足更高分頻要求？

本文作者：Glen White，Qorvo傳輸事業(yè)部寬帶業(yè)務(wù)高級(jí)應(yīng)用工程師

引言

自2021年3月以來，寬帶混合光纖同軸電纜(HFC)網(wǎng)絡(luò)的需求空前高漲。全球互聯(lián)網(wǎng)流量在此期間增長(zhǎng)了25%至45%。世界各地的多系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(MSO)都在著手評(píng)估最新的DOCSIS規(guī)范，以升級(jí)其當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)，滿足日益增長(zhǎng)的需求。

目前，大多數(shù)HFC網(wǎng)絡(luò)中最薄弱的環(huán)節(jié)是上行傳輸能力。DOCSIS 3.1和DOCSIS 4.0將有助于MSO提高上行容量和速度。DOCSIS 3.1和DOCSIS 4.0的優(yōu)勢(shì)之一是能夠提供更高的上行頻率分頻，從而在HFC網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)更大帶寬和更高容量。

本文重點(diǎn)介紹放大器和節(jié)點(diǎn)中支持此類較高頻率分頻的上行架構(gòu)，以及Qorvo產(chǎn)品如何幫助網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商提供靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以滿足MSO的各種需求。

當(dāng)前上行容量和擴(kuò)容

隨著流媒體內(nèi)容、視頻會(huì)議等應(yīng)用的需求日益增加，超越傳統(tǒng)的5-42MHz和5-85MHz上行分頻容量已勢(shì)在必行。DOCSIS 3.1目前支持204MHz的“高分頻”，還可使用高達(dá)96Mhz帶寬的正交頻分多址接入(OFDMA)技術(shù)。下行鏈路中可采用OFDM實(shí)現(xiàn)電纜設(shè)備的單用戶廣播信道；而上行鏈路中OFDMA采用“多址”形式，允許多個(gè)客戶通過時(shí)分多址形式(TDMA)共享一個(gè)信道。

OFDM使用多個(gè)正交間隔的QAM（正交幅度調(diào)制）子載波形成一個(gè)信道，這些子載波帶寬較窄，對(duì)于OFDM階數(shù)高達(dá)4096QAM，對(duì)于OFDMA階數(shù)高達(dá)1024QAM（可選擇更高階的QAM）。在類似帶寬上，OFDM的有效載荷容量比256QAM更高。通過升高或降低每個(gè)子載波的調(diào)制階數(shù)，能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)當(dāng)前信道條件，盡可能以最佳容量保持信號(hào)完整性。

擴(kuò)展頻譜DOCSIS（ESD, DOCSIS 4.0）和全雙工技術(shù)為實(shí)現(xiàn)下行和上行承載容量擴(kuò)展目標(biāo)提供了新標(biāo)準(zhǔn)。兩種標(biāo)準(zhǔn)均支持將上行放大器的最大可用帶寬擴(kuò)展至684MHz。 ?圖1：DOCSIS 4.0 ESD頻譜以及上行(US)和下行(DS)之間的分頻。

?圖2：面向上行(US)和下行(DS)的DOCSIS 4.0 FDX頻譜。

上行計(jì)劃的帶寬增加時(shí)，上行放大器MMIC的性能會(huì)相應(yīng)提高。我們需要考慮復(fù)合信號(hào)電平的總體要求、損耗和傾斜水平，隨著帶寬和傾斜度的增加，這些因素將成為更大的問題。

由于全雙工架構(gòu)利用相同帶寬內(nèi)上行和下行的同時(shí)運(yùn)行，因此更容易依賴高達(dá)684MHz的帶寬，而擴(kuò)展頻譜DOCSIS作為頻分雙工方案(FDD)則必須平衡上行和下行之間的帶寬要求。從圖1中可以直觀地看出，增加上行帶寬會(huì)減少下行路徑的可用帶寬，而在圖3中可以看出，相對(duì)于新的1.8GHz ESD分頻，使用現(xiàn)有SC-QAM數(shù)據(jù)速率對(duì)實(shí)際吞吐量有更直接的影響。 ?圖3：上行帶寬增加對(duì)SC-QAM數(shù)據(jù)吞吐量的影響。

如果在上行和下行頻段計(jì)劃的允許范圍內(nèi)盡可能增多OFDM和OFDMA信道（圖4），我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，增加OFDM確實(shí)可以提升數(shù)據(jù)容量，但仍然需要同時(shí)權(quán)衡考慮帶寬，因此運(yùn)營(yíng)商還是會(huì)放棄最大上行帶寬，傾向于通過204MHz和396MHz等分頻來推行1Gbit和2Gbit上行服務(wù)和實(shí)現(xiàn)10Gbit下行速率。 ?圖4：通過使用OFDM提高數(shù)據(jù)吞吐量和上行帶寬。

Qorvo上行解決方案

傳統(tǒng)D3.0上行應(yīng)用會(huì)在目標(biāo)帶寬為42MHz或85MHz時(shí)使用窄帶MMIC或晶體管。為適應(yīng)不斷發(fā)展的DOCSIS 4.0市場(chǎng)，MMIC提供的全帶寬需高達(dá)684 MHz才能滿足FDX的要求并支持?jǐn)U展頻譜應(yīng)用。

Qorvo的解決方案是一種模塊化方案，由小尺寸、低功耗放大器以及衰減器、均衡器和開關(guān)構(gòu)成，便于客戶將器件放置在終端應(yīng)用中的所需位置。Qorvo向富有挑戰(zhàn)性的新市場(chǎng)推出一系列放大器產(chǎn)品，如圖5所示。 ?圖5：Qorvo的模塊化解決方案。

Qorvo部分產(chǎn)品噪聲系數(shù)極低，可構(gòu)建覆蓋整個(gè)帶寬的出色驅(qū)動(dòng)器IC。這些采用SOIC8封裝的IC均引腳兼容，增益范圍為12dB至25dB，能夠支持高達(dá)684MHz的所有可用分頻。由于具有相同的引腳排列，可輕松實(shí)現(xiàn)所需的增益、輸出功率、線性度和NPR特性組合，從而滿足從5MHz到684MHz 的所有上行應(yīng)用要求。

除放大器MMIC外，Qorvo還為上行器件設(shè)計(jì)人員提供控制產(chǎn)品，如圖6所示。

?圖6：Qorvo為上行設(shè)計(jì)提供的控制產(chǎn)品。

Qorvo針對(duì)上行頻段提供一系列具有出色性能的SPDT和SPST開關(guān)，以及各類電壓控制衰減器和數(shù)字步進(jìn)衰減器。規(guī)格均為75歐姆，衰減范圍高達(dá)31dB。QPC4043采用新型閉環(huán)架構(gòu)，可以嚴(yán)格控制衰減響應(yīng)與電壓、溫度和批次的關(guān)系，從而降低了校準(zhǔn)復(fù)雜性。因此，回波損耗也受到更嚴(yán)格的控制，有助于設(shè)計(jì)人員預(yù)測(cè)評(píng)估放大器之間或均衡器電路內(nèi)的特性。QPC4614具有增強(qiáng)的內(nèi)部負(fù)電壓發(fā)生器，可減少低頻區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生的雜散信號(hào)。QPC7334為電壓可變均衡器，可在5MHz到684MHz范圍內(nèi)提供線性傾斜。

Qorvo上行參考設(shè)計(jì)

Qorvo使用上述構(gòu)建模塊開發(fā)了幾款參考電路板，能夠根據(jù)新分頻和信號(hào)要求對(duì)各產(chǎn)品系列進(jìn)行測(cè)試。下表列出了正在開發(fā)的上行參考電路板，可用于演示各種可用功能和選項(xiàng)。 ?圖7：Qorvo 參考電路板功能豐富，可提供靈活的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。

• 具有單端級(jí)間的295128

參考板295128的QPB8896-QPL8832就是一個(gè)適用于擴(kuò)展頻譜上行環(huán)境的靈活設(shè)計(jì)示例。 第一級(jí)QPB8896驅(qū)動(dòng)器增益達(dá)25dB，而輸出級(jí)QPL8832的增益為19dB。電路級(jí)之間使用一個(gè)4dB衰減器(pad)來模擬應(yīng)用中可能出現(xiàn)的損耗，如自動(dòng)電平和斜率控制(ALSC)、熱跟蹤或均衡等。因此可提供44dB的總增益和40dB的可用增益。增益可以在板上進(jìn)行微調(diào)，也可以通過更換輸出器件實(shí)現(xiàn)大幅調(diào)整。

由于電源的靈活性，用戶既可以將它們連接在一起，也可以將它們分開，以便通過更高的偏置電壓驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)，從而提高輸出能力。

偏置靈活性

利用QPL883x系列產(chǎn)品的偏置靈活性，如果較高分頻需要更多的輸出容量，則可以對(duì)QPL8832進(jìn)行重新偏置。器件電流(IDD)增大會(huì)在一定程度上提高線性度和輸出容量，但器件電壓(VDD)上升會(huì)對(duì)IP2和IP3產(chǎn)生較大影響，因此可實(shí)現(xiàn)更顯著的提高。QPL883x的線性化電流也針對(duì)給定的工作條件進(jìn)行了優(yōu)化，以便在RF輸入端提供少量的固定預(yù)失真信號(hào)，進(jìn)一步優(yōu)化MER。最佳線性化電流主要取決于VDD、IDD和負(fù)載條件（有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)）。因此QPL883x系列中的各器件可針對(duì)各種負(fù)載和供電條件進(jìn)行優(yōu)化。

噪聲功率比

根據(jù)ANSI/SCTE 119-2018中的定義，噪聲功率比(NPR)通過將寬帶噪聲注入放大器，然后濾除一個(gè)測(cè)量信道（通常在測(cè)試帶寬的中心）進(jìn)行測(cè)試。注入的寬帶噪聲是“信號(hào)功率”，而濾除信道中的能量是“噪聲功率”，并且是被測(cè)放大器產(chǎn)生的噪聲和互調(diào)產(chǎn)物的組合。NPR表示為總信號(hào)帶寬的信號(hào)功率密度與阻帶內(nèi)的噪聲功率密度之比。如果在不同功率水平下測(cè)量NPR，則可以繪制出一條曲線來顯示被測(cè)器件的動(dòng)態(tài)范圍。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)該曲線確定器件或系統(tǒng)在給定帶寬上的信號(hào)容量。

Qorvo使用Applied Instruments NPRT 2200測(cè)試系統(tǒng)來測(cè)試NPR，這是一種自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，支持42MHz、85MHz、204MHz和300MHz帶寬。如ANSI/SCTE 119-2018中所述，可以使用寬帶噪聲發(fā)生器以及外部通帶和陷波濾波器構(gòu)建手動(dòng)系統(tǒng)。如果經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師進(jìn)行一些適當(dāng)?shù)臑V波設(shè)計(jì)，Noise Com現(xiàn)有的某些舊款下行系統(tǒng)也適合上行應(yīng)用。根據(jù)之前的評(píng)估，任意波形系統(tǒng)在沒有添加外部濾波的情況下只能在中間的40s達(dá)到峰值NPR。

圖8顯示了不同帶寬下測(cè)試NPR與輸入功率的關(guān)系，分別使用了不同的功率項(xiàng)。這兩個(gè)曲線圖都是在NPRT 2200系統(tǒng)中的可用帶寬下對(duì)8896-8832參考電路板(295128)進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。左圖中的輸入功率為帶寬總功率(dBm)，而右圖中以dBmV/Hz表示功率，無需涉及帶寬。

對(duì)于以dBm表示的曲線，由于功率表示為帶寬總功率，因此當(dāng)帶寬從42MHz增加到300MHz時(shí)，曲線的壓縮側(cè)保持不變。曲線的噪聲側(cè)則受到噪聲帶寬增加的影響。

右圖的功率軸以dBmV/Hz表示，將x軸的參考基準(zhǔn)從總帶寬變?yōu)椤懊亢掌潯钡墓β拭芏?。此時(shí)噪聲曲線已平移至相互疊加，而壓縮曲線則“扇出”。以dBmV/Hz表示的曲線圖更便于設(shè)計(jì)人員估算信道容量（并且符合SCTE的“功率密度”定義），而以dBm表示的曲線圖則便于顯示與帶寬無關(guān)的MMIC壓縮特性。

對(duì)于級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器IC前的損耗、調(diào)節(jié)輸出級(jí)之前的損耗，以及通過選擇最適合總增益預(yù)算的QPL883x輸出級(jí)來設(shè)置總增益，可以控制其NPR動(dòng)態(tài)范圍。

?圖8：使用多個(gè)帶寬時(shí) NPR 與功率密度或絕對(duì)功率的關(guān)系。

圖9顯示了通過改變輸出級(jí)將輸出級(jí)增益從19dB降至15dB的結(jié)果。在該測(cè)試中，兩次掃描的帶寬均為204MHz，因此兩條NPR曲線的左側(cè)保持不變（由系統(tǒng)噪聲帶寬決定）。降低增益使NPR曲線壓縮側(cè)發(fā)生擴(kuò)展，從而擴(kuò)展了整體動(dòng)態(tài)范圍。假設(shè)信號(hào)不受增加損耗的噪聲限制，通過提高輸出級(jí)的輸出電壓和電流，或者調(diào)節(jié)級(jí)間損耗以降低到達(dá)最終級(jí)的信號(hào)電平也可以實(shí)現(xiàn)曲線壓縮側(cè)擴(kuò)展。

?圖9：更改輸出增益級(jí)對(duì)NPR動(dòng)態(tài)范圍的影響。

器件靈活性

QPL883x系列器件引腳兼容，便于靈活更換器件。因此，用戶可使用任何具有12dB、15dB、17dB、19dB和21dB增益的QPL883x器件來更換輸出器件，從而改變整體系統(tǒng)增益。

• 參考板295446：利用級(jí)間電壓控制衰減器

下圖的參考設(shè)計(jì)使用QPB8896、RFSA3043和QPL8832，可以看出改變級(jí)間衰減量帶來的影響。

? ?圖10中的S21與VC關(guān)系圖顯示，當(dāng)RSA3043的控制電壓從0V升到5V時(shí)，其增益增大，衰減接近0dB。而NPR與VC關(guān)系圖顯示，當(dāng)RFSA3043的衰減減小時(shí)，由于向輸出級(jí)施加了更高的信號(hào)電平，NPR曲線的壓縮側(cè)向左移動(dòng)。

?圖10：不同級(jí)間衰減對(duì)NPR動(dòng)態(tài)范圍的影響。

低功耗選項(xiàng)

下圖的參考板295130使用QPB7425作為驅(qū)動(dòng)器，其后連接QPL8832。QPB7425是一款與QPB8896具有相同噪聲系數(shù)性能的單端器件，但其功耗和線性度低于差分式QPB8896（尤其是OIP2）。如果無需達(dá)到QPB8896-QPL8832參考設(shè)計(jì)（295128）的高輸出能力，設(shè)計(jì)人員可利用此參考設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)來降低功耗。

?為了更好地應(yīng)對(duì)DOCSIS 4.0的信號(hào)要求，在輸入端和VDD之間添加一個(gè)150K上拉電阻來增加QPB7425偏置電流。

對(duì)于平坦負(fù)載，輸出TCP能力接近QPB8896-QPL8832版本，但上端會(huì)顯示單端初級(jí)的一些限制。隨著傾斜的增加，這些限制在下端變得更加明顯。如果無需達(dá)到QPB8896+QPL883x組合的較高線性性能，設(shè)計(jì)人員可采用此方法以較低功耗實(shí)現(xiàn)同等增益和噪聲系數(shù)。QPB7425還可以采用靈活的工作電壓和電流，適合需針對(duì)其他工作環(huán)境定制的5V至8V設(shè)計(jì)（有關(guān)偏置的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱QPB7425數(shù)據(jù)手冊(cè)）。

上行傾斜

當(dāng)上行帶寬增加時(shí)，需要考慮補(bǔ)償放大器之間的損耗。參考電路板295445采用了Qorvo的一款5MHz至684MHz集成線性均衡器QPC7334。與第一個(gè)示例類似，我們使用 QPB8896來驅(qū)動(dòng)QPC7334均衡器和QPL8832輸出級(jí)。

?由于QPC7334適用于684MHz的應(yīng)用，因此本例中QPB8896使用插入損耗略高的700MHz 1.33:1巴倫來改善684MHz應(yīng)用整體的輸出回波損耗。這樣會(huì)增加噪聲系數(shù)，將略微改變NPR曲線，但在684MHz帶寬下工作時(shí)可以改善輸出回波損耗（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見QPB8896數(shù)據(jù)手冊(cè)）。

?圖11：參考電路板增益響應(yīng)與控制電壓的關(guān)系。

由于在QPB8896之后應(yīng)用傾斜，因此傾斜增加只會(huì)對(duì)QPL8832輸出級(jí)產(chǎn)生影響。

當(dāng)傾斜水平增加時(shí)，系統(tǒng)增益不會(huì)改變以適應(yīng)復(fù)合功率損耗，而較低信道的CNR會(huì)朝向輸出器件的噪聲和互調(diào)基底下降。

如前所述，QPL883x系列能夠在很寬的電流和電壓范圍內(nèi)工作，這將有助于解決高傾斜時(shí)的性能損失問題。增大IDD將會(huì)使線性度略有改善，但增大VDD可以最大程度地提高線性度增益。

基于QPC3043、QPC4043或固定無源均衡器的分立式有源電路也可針對(duì)線性損耗或電纜損耗曲線用于其他分頻。

穩(wěn)定性

在75歐姆環(huán)境中，頻率高達(dá)3GHz時(shí)可檢測(cè)完整路徑是否穩(wěn)定，如果在50歐姆環(huán)境中存在帶寬更高的可用系統(tǒng)，則6GHz至8GHz應(yīng)足以確保這些器件的穩(wěn)定性。

帶寬限制

DOCSIS 4.0上行設(shè)計(jì)的最后一個(gè)考慮因素是為上行路徑提供充分的帶寬限制，以確保下行和上行路徑不會(huì)相互影響，防止系統(tǒng)不穩(wěn)定。由于上行MMIC旨在針對(duì)684MHz的頻率范圍提供功率輸出，其增益帶寬積將擴(kuò)展到684MHz以上，這意味著，在良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，除了為所需上行分頻定制的系統(tǒng)雙工器外，可能還需要在上行路徑中配置低通濾波。根據(jù)設(shè)計(jì)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還可采用其他方法來提高帶外抑制，例如：在上行MMIC上使用窄帶巴倫（例如，5-200MHz巴倫用于204MHz分頻），以及增加QPL8896和 QPL883x上的輸出并聯(lián)電容，使帶外增益實(shí)現(xiàn)滾降，這可能需要對(duì)輸出匹配進(jìn)行額外調(diào)諧，具體取決于所用的電容量。

結(jié)論

當(dāng)上行系統(tǒng)帶寬增加時(shí)，放大器的性能和復(fù)雜性也隨之增加。如今，大多數(shù)上行設(shè)備的運(yùn)行頻率為108MHz，有些達(dá)到204MHz。未來的網(wǎng)絡(luò)需以684MHz 為目標(biāo)進(jìn)行能力規(guī)劃，要求具有更高的增益、功率和傾斜能力。利用Qorvo的構(gòu)建模塊方法，借助小尺寸、低功耗放大器以及衰減器、均衡器和開關(guān)設(shè)備組合，客戶可以根據(jù)需要在其終端應(yīng)用中進(jìn)行配置。Qorvo還提供增值服務(wù)，為客戶定制評(píng)估板，便于客戶在最終設(shè)計(jì)和實(shí)施之前測(cè)試解決方案。