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)務高級應用工程師

引言

自2021年3月以來，寬帶混合光纖同軸電纜(HFC)網(wǎng)絡的需求空前高漲。全球互聯(lián)網(wǎng)流量在此期間增長了25%至45%。世界各地的多系統(tǒng)運營商(MSO)都在著手評估最新的DOCSIS規(guī)范，以升級其當前網(wǎng)絡，滿足日益增長的需求。

目前，大多數(shù)HFC網(wǎng)絡中最薄弱的環(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)勢之一是能夠提供更高的上行頻率分頻，從而在HFC網(wǎng)絡中實現(xiàn)更大帶寬和更高容量。

本文重點介紹放大器和節(jié)點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)絡設備制造商提供靈活的網(wǎng)絡架構(gòu)，以滿足MSO的各種需求。

當前上行容量和擴容

隨著流媒體內(nèi)容、視頻會議等應用的需求日益增加，超越傳統(tǒng)的5-42MHz和5-85MHz上行分頻容量已勢在必行。DOCSIS 3.1目前支持204MHz的“高分頻”，還可使用高達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實現(xiàn)電纜設備的單用戶廣播信道；而上行鏈路中OFDMA采用“多址”形式，允許多個客戶通過時分多址形式(TDMA)共享一個信道。

OFDM使用多個正交間隔的QAM（正交幅度調(diào)制）子載波形成一個信道，這些子載波帶寬較窄，對于OFDM階數(shù)高達4096QAM，對于OFDMA階數(shù)高達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子載波的調(diào)制階數(shù)，能夠動態(tài)適應當前信道條件，盡可能以最佳容量保持信號完整性。

擴展頻譜DOCSIS（ESD, DOCSIS 4.0）和全雙工技術(shù)為實現(xiàn)下行和上行承載容量擴展目標提供了新標準。兩種標準均支持將上行放大器的最大可用帶寬擴展至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。

上行計劃的帶寬增加時，上行放大器MMIC的性能會相應提高。我們需要考慮復合信號電平的總體要求、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)上行和下行的同時運行，因此更容易依賴高達684MHz的帶寬，而擴展頻譜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，增加上行帶寬會減少下行路徑的可用帶寬，而在圖3中可以看出，相對于新的1.8GHz ESD分頻，使用現(xiàn)有SC-QAM數(shù)據(jù)速率對實際吞吐量有更直接的影響。 ?圖3：上行帶寬增加對SC-QAM數(shù)據(jù)吞吐量的影響。

如果在上行和下行頻段計劃的允許范圍內(nèi)盡可能增多OFDM和OFDMA信道（圖4），我們會發(fā)現(xiàn)，增加OFDM確實可以提升數(shù)據(jù)容量，但仍然需要同時權(quán)衡考慮帶寬，因此運營商還是會放棄最大上行帶寬，傾向于通過204MHz和396MHz等分頻來推行1Gbit和2Gbit上行服務和實現(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上行應用會在目標帶寬為42MHz或85MHz時使用窄帶MMIC或晶體管。為適應不斷發(fā)展的DOCSIS 4.0市場，MMIC提供的全帶寬需高達684 MHz才能滿足FDX的要求并支持擴展頻譜應用。

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用中的所需位置。Qorvo向富有挑戰(zhàn)性的新市場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)建覆蓋整個帶寬的出色驅(qū)動器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684MHz的所有可用分頻。由于具有相同的引腳排列，可輕松實現(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 的所有上行應用要求。

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

?圖6：Qorvo為上行設計提供的控制產(chǎn)品。

Qorvo針對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)字步進衰減器。規(guī)格均為75歐姆，衰減范圍高達31dB。QPC4043采用新型閉環(huán)架構(gòu)，可以嚴格控制衰減響應與電壓、溫度和批次的關(guān)系，從而降低了校準復雜性。因此，回波損耗也受到更嚴格的控制，有助于設計人員預測評估放大器之間或均衡器電路內(nèi)的特性。QPC4614具有增強的內(nèi)部負電壓發(fā)生器，可減少低頻區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生的雜散信號。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上行參考設計

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)新分頻和信號要求對各產(chǎn)品系列進行測試。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。 ?圖7：Qorvo 參考電路板功能豐富，可提供靈活的設計選項。

• 具有單端級間的295128

參考板295128的QPB8896-QPL8832就是一個適用于擴展頻譜上行環(huán)境的靈活設計示例。 第一級QPB8896驅(qū)動器增益達25dB，而輸出級QPL8832的增益為19dB。電路級之間使用一個4dB衰減器(pad)來模擬應用中可能出現(xiàn)的損耗，如自動電平和斜率控制(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。增益可以在板上進行微調(diào)，也可以通過更換輸出器件實現(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)動輸出級，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QPL8832進行重新偏置。器件電流(IDD)增大會在一定程度上提高線性度和輸出容量，但器件電壓(VDD)上升會對IP2和IP3產(chǎn)生較大影響，因此可實現(xiàn)更顯著的提高。QPL883x的線性化電流也針對給定的工作條件進行了優(yōu)化，以便在RF輸入端提供少量的固定預失真信號，進一步優(yōu)化MER。最佳線性化電流主要取決于VDD、IDD和負載條件（有關(guān)更多詳細信息，請參閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊）。因此QPL883x系列中的各器件可針對各種負載和供電條件進行優(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，然后濾除一個測量信道（通常在測試帶寬的中心）進行測試。注入的寬帶噪聲是“信號功率”，而濾除信道中的能量是“噪聲功率”，并且是被測放大器產(chǎn)生的噪聲和互調(diào)產(chǎn)物的組合。NPR表示為總信號帶寬的信號功率密度與阻帶內(nèi)的噪聲功率密度之比。如果在不同功率水平下測量NPR，則可以繪制出一條曲線來顯示被測器件的動態(tài)范圍。設計人員可根據(jù)該曲線確定器件或系統(tǒng)在給定帶寬上的信號容量。

Qorvo使用Applied Instruments NPRT 2200測試系統(tǒng)來測試NPR，這是一種自動測試設備，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)建手動系統(tǒng)。如果經(jīng)驗豐富的工程師進行一些適當?shù)臑V波設計，Noise Com現(xiàn)有的某些舊款下行系統(tǒng)也適合上行應用。根據(jù)之前的評估，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達到峰值NPR。

圖8顯示了不同帶寬下測試NPR與輸入功率的關(guān)系，分別使用了不同的功率項。這兩個曲線圖都是在NPRT 2200系統(tǒng)中的可用帶寬下對8896-8832參考電路板(295128)進行測試的結(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。

對于以dBm表示的曲線，由于功率表示為帶寬總功率，因此當帶寬從42MHz增加到300MHz時，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軸的參考基準從總帶寬變?yōu)椤懊亢掌潯钡墓β拭芏?。此時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計人員估算信道容量（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。

對于級聯(lián)設計，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動器IC前的損耗、調(diào)節(jié)輸出級之前的損耗，以及通過選擇最適合總增益預算的QPL883x輸出級來設置總增益，可以控制其NPR動態(tài)范圍。

?圖8：使用多個帶寬時 NPR 與功率密度或絕對功率的關(guān)系。

圖9顯示了通過改變輸出級將輸出級增益從19dB降至15dB的結(jié)果。在該測試中，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)生擴展，從而擴展了整體動態(tài)范圍。假設信號不受增加損耗的噪聲限制，通過提高輸出級的輸出電壓和電流，或者調(diào)節(jié)級間損耗以降低到達最終級的信號電平也可以實現(xiàn)曲線壓縮側(cè)擴展。

?圖9：更改輸出增益級對NPR動態(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：利用級間電壓控制衰減器

下圖的參考設計使用QPB8896、RFSA3043和QPL8832，可以看出改變級間衰減量帶來的影響。

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

?圖10：不同級間衰減對NPR動態(tài)范圍的影響。

低功耗選項

下圖的參考板295130使用QPB7425作為驅(qū)動器，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）。如果無需達到QPB8896-QPL8832參考設計（295128）的高輸出能力，設計人員可利用此參考設計的優(yōu)勢來降低功耗。

?為了更好地應對DOCSIS 4.0的信號要求，在輸入端和VDD之間添加一個150K上拉電阻來增加QPB7425偏置電流。

對于平坦負載，輸出TCP能力接近QPB8896-QPL8832版本，但上端會顯示單端初級的一些限制。隨著傾斜的增加，這些限制在下端變得更加明顯。如果無需達到QPB8896+QPL883x組合的較高線性性能，設計人員可采用此方法以較低功耗實現(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，適合需針對其他工作環(huán)境定制的5V至8V設計（有關(guān)偏置的詳細信息，請參閱QPB7425數(shù)據(jù)手冊）。

上行傾斜

當上行帶寬增加時，需要考慮補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。與第一個示例類似，我們使用 QPB8896來驅(qū)動QPC7334均衡器和QPL8832輸出級。

?由于QPC7334適用于684MHz的應用，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應用整體的輸出回波損耗。這樣會增加噪聲系數(shù)，將略微改變NPR曲線，但在684MHz帶寬下工作時可以改善輸出回波損耗（有關(guān)詳細信息，請參見QPB8896數(shù)據(jù)手冊）。

?圖11：參考電路板增益響應與控制電壓的關(guān)系。

由于在QPB8896之后應用傾斜，因此傾斜增加只會對QPL8832輸出級產(chǎn)生影響。

當傾斜水平增加時，系統(tǒng)增益不會改變以適應復合功率損耗，而較低信道的CNR會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的性能損失問題。增大IDD將會使線性度略有改善，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3GHz時可檢測完整路徑是否穩(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應足以確保這些器件的穩(wěn)定性。

帶寬限制

DOCSIS 4.0上行設計的最后一個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相互影響，防止系統(tǒng)不穩(wěn)定。由于上行MMIC旨在針對684MHz的頻率范圍提供功率輸出，其增益帶寬積將擴展到684MHz以上，這意味著，在良好的設計實踐中，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)設計人員的實踐經(jīng)驗，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，使帶外增益實現(xiàn)滾降，這可能需要對輸出匹配進行額外調(diào)諧，具體取決于所用的電容量。

結(jié)論

當上行系統(tǒng)帶寬增加時，放大器的性能和復雜性也隨之增加。如今，大多數(shù)上行設備的運行頻率為108MHz，有些達到204MHz。未來的網(wǎng)絡需以684MHz 為目標進行能力規(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)設備組合，客戶可以根據(jù)需要在其終端應用中進行配置。Qorvo還提供增值服務，為客戶定制評估板，便于客戶在最終設計和實施之前測試解決方案。