Qorvo 助你为 DOCSIS 4.0 做好准备

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                                                             本文来自Qorvo公众号

日前,Qorvo 技术专家 Frank Zhu 参加了一场在线研讨会,为大家带来了新一代有线宽带到来之后,给产业带来的挑战和解决方案的分享。而要谈这个,就必须先谈一下最新的有线电缆标准 DOCSIS 4.0。

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                               Qorvo 技术专家 Frank Zhu

据 Frank Zhu 介绍,所谓 DOCSIS 4.0, 就是一个能够把宽带运营商网络下行速度提升到 10Gbps 的标准。得益于一些和以前标准不一样的设计,DOCSIS 4.0 让宽带运营商获得了前所未有的速度。而放大器将在这个应用场景中扮演一个很重要的角色。为了说明这一点,Frank Zhu 首先介绍了放大器在过去多年的发展历程。

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从他的介绍我们得知,如上图所示,在 1949 到 1960 年代初期间,放大器应用支持二个到十三个信道。而为了实现这个目标,行业最初也只是使用单端的放大器,这些放大器也仅能执行功率放大的作用。

 

到了上世纪六十年代中之后,有线宽带带宽从之前的 200Mhz 增加到 300Mhz,这就催生了第一代的 push-all 架构的放大器。这种架构产品的好处是能够消除二阶的一些非线性,能让 CSO 的指标指标有所提升;此外,这种级联式的设计,给放大器带来了更宽的增益带宽和更高的输出能力;这个架构产品的另一个大的改进,是它们建立了一种 SOT-115 的封装,这让客户的设备生产商在制造设备的时候,有个即插即用的效果,也能更好的维修,帮助降低客户的成本和维修费用。

 

到了 20 世纪 80 年代之后,宽带的带宽有了更进一步的提升,这就促进了第一代的基于硅技术的一个 PD 放大模块的产生;

 

到了 90 年代末和新世纪初,带宽从几百兆升级到了 Ghz,于是就推动了 DOCSIS 1.0 的产生。随着带宽的提升,和传输速率提升的要求,DOCSIS  标准也在提升。而放大器也从之前的硅基放大模块,转换到了砷化镓放大模块和砷化镓的 MMIC,后者也逐渐成为了业界的主流。

 

而从 2009 到现在,业界使用的主流标准是 DOCSIS 3.1,带宽需求也提升到了 1.2Ghz 甚至 1.8Ghz。在这种前提下,RFM 在 2009 年设计出了一块用 GaN 技术制造的功率放大器模块。

 

在介绍了功率放大器的一些历史背景后,Frank Zhu 接着介绍了功率放大器技术的演进。如下图所示,我们可以看到,在过去几年,放大器的制造材料从 Si、演进到了 GaAs,再到现在的 GaN 方,这些改进的目标都是为了满足高带宽的需求。“GaN 会成为主流,因为他们能提供更高速率的输出,更好的稳定性和温度范围等等。”Frank Zhu 补充说。

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  在谈 DOCSIS 4.0 时,Frank Zhu 强调,新标准最主要的改进是给运营商提供一个更高的、可用的数据带宽。同时给用户提供更高的上下行速率。要实现这个目标,就需要两个重要的关键技术:一个叫做 ESD,也就是把原来的带宽进行扩充(从 1.2Ghz 扩展到 1.8Ghz);另一个技术叫 FDS(全双工),把上行带宽从 300Mhz 扩充到 700Mhz,也能把上行和下行带宽进行复用,进一步把上下行速度提升。

 

从整个架构来说,DOCSIS 4.0 对于运营商来说需要升级或者布网,这相对而言也比较流畅。为此海外运营商把目光投在带宽的扩充上面。

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   为了深入说明不同带宽和标准带来的设计要求,Frank Zhu 还介绍了不同带宽下的不同架构。

 

从他的介绍我们得知,在 1Ghz 的时候,业界使用的是 HFC 架构,在这个架构下可以支持 6Gbps 的下行速率和 0.4Gbps 的上行速率。而大部分运营商会采取这种分布式的布网架构,因为这种布网成本比较低,且灵活性比较高;

 

到了 1.2Ghz 时代,出现了 Fiber Deep N+0 架构。Frank Zhu 指出,这个时代的一个显著特征就是光进铜退,其实就是将(XX)技术加入到布网以后,我们可以把光纤技术从头端向用户端移。这样做的好处就是用光纤的传输代替铜轴传输,这就降低了传输损耗,提升了传输速度。

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而到了 DOCSIS 4.0 时代,下行速度从过往的 1.2Ghz 时代的 8Gbps 左右提升到现在的 10Gbps,上行速度率也可以做到 5.2Gbps,这就给终端用户带来更多的应用可能。从上图可以看到,这个时代的网络架构是采用 N+X 的架构,这样做的主要考虑就是想先把带宽扩充,同时还可以控制升级成本。

 

Frank Zhu 表示,毫无疑问,DOCSIS 4.0 对信号的传输带宽提出了更高要求,这主要体现在射频放大模块的两个方面:一方面是 TCP,带宽的增高,对功率必然提出一个更高的要求,随之而来的是需要更高的效率去保证他散热;另一方面,随着输出功率的提高,对器件的线性度也提出了更高的要求。这就驱使放大器的制造材料从 GaAs 升级为 GaN。

 

“除此之外,我们还需要用其他的技术来改善放大器的工作,DPD 就是其中的一个。它主要的作用是让射频放大器工作在一个相对的非线性的状态,同时还可以通过 DPD 的校正,进行一定的补偿,这样就可以提升功放的效率,对散热是一个不错的帮助。”Frank Zhu 接着说。

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他指出,GaN 器件的出现,让产品可以工作在较高电压(大约 50V),且对器件的稳定性有了大幅度的提升。此外,由于 TCP 的提高,对放大器的散热提出了更高的要求,因此放大器内部对 die 的承受功率,也提出了更高的要求,而 SOT-115 封装,在这方面也有优势。

 

从下图,我们看到了新标准带来的变化,而 Qorvo 也做好了准备。功率倍增的放大模块则是我们推出的极具竞争力的产品,当中包括 QPA3310 和 QPA3315。

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如下图所示,QPA3310 支持 24V 的设计,而 QPA3315 支持 34V 的设计,两者也支持到 1.8Ghz 的带宽,也拥有同样的封装。但如图所示,在电流和功耗也有所不同。这就给客户提供了高输出高功耗和功率小功耗低不同的两种选择。

 

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提到放大器模块的输出,必须要谈到放大模块的信道配置。因为新标准的带宽从以前的 1.2Ghz 提升到如 1.8Ghz,这就带来了完全不同的信道配置要求。我们将做一个比较详细的解析。
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如上图所示,我们提供了三张不同信道配置的图,覆盖了从 111Mhz 到 1.8Ghz 的信道配置,这主要是为了体现在不同带宽的情况下,如果使用相同的配置,有可能让功放难以满足相关需求。为此我们需要考虑在保证 TCP 的前提下,如何配置我们带宽内的信道。

 

从下图,我们也可以看到 TCP 对整个方案或放大器设计的影响. 

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从下图实测数据,我们也能够看到 QPA3310 和 QPA3315 两者在实际测试中的表现差异。
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如上图所示,QPA3310 的 S 参数。而下图则展示了 QPA3310 的功率跟线性的关系。其中图左是 TCP 跟 MER 的关系,图右则是最高信道功率跟 MER 的关系。
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下图则是 QPA 3315 的功率和线性度的关系。与 QPA 3310 相比,QPA 3315 的输出功率明显更大。
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而从下图,我们可以看到 QPA 3315 基于 Zig Zag 信道配置所做的 TCP 跟 MER、BER 的对比。
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如下图,我们对前文谈到的线性和功率做了一个总结,可以看到 QPA 3310 和 QPA 3315 在不同信道模式的配置下,输出效率有所不同。也可以给读者提供一个更好的参考。
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除了这两个放大模块,Qorvo 在这个领域还提供了包括小功率放大器和控制器件在内的多种面向 DOCSIS 4.0 的器件。如下图所示,这是一个典型的光节点的基本架构图。从这可以看到完整的射频链路,当中用到各种各样的器件,当中 Qorvo 能提供不少能满足 DOCSIS 4.0 的方案,解决客户的设计问题。
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例如,Qorvo 提供了能实现和增益放大模块一样功能的 MCM 模块,给客户提供了更多的选择。
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下图是我们能提供的大功率增益放大器,可以满足 DOCSIS 4.0 需求的多款器件。Qorvo 目前还在规划更多产品,力求给开发者提供更多的帮助。
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除了大功率的放大器外,Qorvo 还提供小功率的放大器,可以应用到类似上行电路等相关场景中。从下图可以看到,针对不同的功率需求,Qorvo 开发了一系列的产品,以供客户选择。
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下图则是 Qorvo 针对这个市场提供的一些单端放大器。
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除了放大器外,Qorvo 还能提供一些控制模块。
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