Qorvo专家笔记：如何通过灵活上行架构满足更高分频要求？
发布时间：2023-08-31 09:28:03
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
本文作者：Glen White，Qorvo传输事业部宽带业务高级应用工程师
自2021年3月以来，宽带混合光纤同轴电缆(HFC)网络的需求空前高涨。全球互联网流量在此期间增长了25%至45%。世界各地的多系统运营商(MSO)都在着手评估最新的DOCSIS规范，以升级其当前网络，满足日益增长的需求。
目前，大多数HFC网络中最薄弱的环节是上行传输能力。DOCSIS 3.1和DOCSIS 4.0将有助于MSO提高上行容量和速度。DOCSIS 3.1和DOCSIS 4.0的优势之一是能够提供更高的上行频率分频，从而在HFC网络中实现更大带宽和更高容量。
本文重点介绍放大器和节点中支持此类较高频率分频的上行架构，以及Qorvo产品如何帮助网络设备制造商提供灵活的网络架构，以满足MSO的各种需求。
当前上行容量和扩容
随着流媒体内容、视频会议等应用的需求日益增加，超越传统的5-42MHz和5-85MHz上行分频容量已势在必行。DOCSIS 3.1目前支持204MHz的“高分频”，还可使用高达96Mhz带宽的正交频分多址接入(OFDMA)技术。下行链路中可采用OFDM实现电缆设备的单用户广播信道；而上行链路中OFDMA采用“多址”形式，允许多个客户通过时分多址形式(TDMA)共享一个信道。
OFDM使用多个正交间隔的QAM（正交幅度调制）子载波形成一个信道，这些子载波带宽较窄，对于OFDM阶数高达4096QAM，对于OFDMA阶数高达1024QAM（可选择更高阶的QAM）。在类似带宽上，OFDM的有效载荷容量比256QAM更高。通过升高或降低每个子载波的调制阶数，能够动态适应当前信道条件，尽可能以最佳容量保持信号完整性。
扩展频谱DOCSIS（ESD, DOCSIS 4.0）和全双工技术为实现下行和上行承载容量扩展目标提供了新标准。两种标准均支持将上行放大器的最大可用带宽扩展至684MHz。
图1：DOCSIS 4.0 ESD频谱以及上行(US)和下行(DS)之间的分频。
图2：面向上行(US)和下行(DS)的DOCSIS 4.0 FDX频谱。
上行计划的带宽增加时，上行放大器MMIC的性能会相应提高。我们需要考虑复合信号电平的总体要求、损耗和倾斜水平，随着带宽和倾斜度的增加，这些因素将成为更大的问题。
由于全双工架构利用相同带宽内上行和下行的同时运行，因此更容易依赖高达684MHz的带宽，而扩展频谱DOCSIS作为频分双工方案(FDD)则必须平衡上行和下行之间的带宽要求。从图1中可以直观地看出，增加上行带宽会减少下行路径的可用带宽，而在图3中可以看出，相对于新的1.8GHz ESD分频，使用现有SC-QAM数据速率对实际吞吐量有更直接的影响。 图3：上行带宽增加对SC-QAM数据吞吐量的影响。
如果在上行和下行频段计划的允许范围内尽可能增多OFDM和OFDMA信道（图4），我们会发现，增加OFDM确实可以提升数据容量，但仍然需要同时权衡考虑带宽，因此运营商还是会放弃最大上行带宽，倾向于通过204MHz和396MHz等分频来推行1Gbit和2Gbit上行服务和实现10Gbit下行速率。
图4：通过使用OFDM提高数据吞吐量和上行带宽。
Qorvo上行解决方案
传统D3.0上行应用会在目标带宽为42MHz或85MHz时使用窄带MMIC或晶体管。为适应不断发展的DOCSIS 4.0市场，MMIC提供的全带宽需高达684 MHz才能满足FDX的要求并支持扩展频谱应用。
Qorvo的解决方案是一种模块化方案，由小尺寸、低功耗放大器以及衰减器、均衡器和开关构成，便于客户将器件放置在终端应用中的所需位置。Qorvo向富有挑战性的新市场推出一系列放大器产品，如图5所示。
图5：Qorvo的模块化解决方案。
Qorvo部分产品噪声系数极低，可构建覆盖整个带宽的出色驱动器IC。这些采用SOIC8封装的IC均引脚兼容，增益范围为12dB至25dB，能够支持高达684MHz的所有可用分频。由于具有相同的引脚排列，可轻松实现所需的增益、输出功率、线性度和NPR特性组合，从而满足从5MHz到684MHz 的所有上行应用要求。
除放大器MMIC外，Qorvo还为上行器件设计人员提供控制产品，如图6所示。
图6：Qorvo为上行设计提供的控制产品。
Qorvo针对上行频段提供一系列具有出色性能的SPDT和SPST开关，以及各类电压控制衰减器和数字步进衰减器。规格均为75欧姆，衰减范围高达31dB。QPC4043采用新型闭环架构，可以严格控制衰减响应与电压、温度和批次的关系，从而降低了校准复杂性。因此，回波损耗也受到更严格的控制，有助于设计人员预测评估放大器之间或均衡器电路内的特性。QPC4614具有增强的内部负电压发生器，可减少低频区域内部产生的杂散信号。QPC7334为电压可变均衡器，可在5MHz到684MHz范围内提供线性倾斜。
Qorvo上行参考设计
Qorvo使用上述构建模块开发了几款参考电路板，能够根据新分频和信号要求对各产品系列进行测试。下表列出了正在开发的上行参考电路板，可用于演示各种可用功能和选项。
图7：Qorvo 参考电路板功能丰富，可提供灵活的设计选项。
具有单端级间的295128
参考板295128的QPB8896-QPL8832就是一个适用于扩展频谱上行环境的灵活设计示例。
第一级QPB8896驱动器增益达25dB，而输出级QPL8832的增益为19dB。电路级之间使用一个4dB衰减器(pad)来模拟应用中可能出现的损耗，如自动电平和斜率控制(ALSC)、热跟踪或均衡等。因此可提供44dB的总增益和40dB的可用增益。增益可以在板上进行微调，也可以通过更换输出器件实现大幅调整。
由于电源的灵活性，用户既可以将它们连接在一起，也可以将它们分开，以便通过更高的偏置电压驱动输出级，从而提高输出能力。
偏置灵活性
利用QPL883x系列产品的偏置灵活性，如果较高分频需要更多的输出容量，则可以对QPL8832进行重新偏置。器件电流(IDD)增大会在一定程度上提高线性度和输出容量，但器件电压(VDD)上升会对IP2和IP3产生较大影响，因此可实现更显著的提高。QPL883x的线性化电流也针对给定的工作条件进行了优化，以便在RF输入端提供少量的固定预失真信号，进一步优化MER。最佳线性化电流主要取决于VDD、IDD和负载条件（有关更多详细信息，请参阅相关数据手册）。因此QPL883x系列中的各器件可针对各种负载和供电条件进行优化。
噪声功率比
根据ANSI/SCTE 119-2018中的定义，噪声功率比(NPR)通过将宽带噪声注入放大器，然后滤除一个测量信道（通常在测试带宽的中心）进行测试。注入的宽带噪声是“信号功率”，而滤除信道中的能量是“噪声功率”，并且是被测放大器产生的噪声和互调产物的组合。NPR表示为总信号带宽的信号功率密度与阻带内的噪声功率密度之比。如果在不同功率水平下测量NPR，则可以绘制出一条曲线来显示被测器件的动态范围。设计人员可根据该曲线确定器件或系统在给定带宽上的信号容量。
Qorvo使用Applied Instruments NPRT 2200测试系统来测试NPR，这是一种自动测试设备，支持42MHz、85MHz、204MHz和300MHz带宽。如ANSI/SCTE 119-2018中所述，可以使用宽带噪声发生器以及外部通带和陷波滤波器构建手动系统。如果经验丰富的工程师进行一些适当的滤波设计，Noise Com现有的某些旧款下行系统也适合上行应用。根据之前的评估，任意波形系统在没有添加外部滤波的情况下只能在中间的40s达到峰值NPR。
图8显示了不同带宽下测试NPR与输入功率的关系，分别使用了不同的功率项。这两个曲线图都是在NPRT 2200系统中的可用带宽下对8896-8832参考电路板(295128)进行测试的结果。左图中的输入功率为带宽总功率(dBm)，而右图中以dBmV/Hz表示功率，无需涉及带宽。
对于以dBm表示的曲线，由于功率表示为带宽总功率，因此当带宽从42MHz增加到300MHz时，曲线的压缩侧保持不变。曲线的噪声侧则受到噪声带宽增加的影响。
右图的功率轴以dBmV/Hz表示，将x轴的参考基准从总带宽变为“每赫兹”的功率密度。此时噪声曲线已平移至相互叠加，而压缩曲线则“扇出”。以dBmV/Hz表示的曲线图更便于设计人员估算信道容量（并且符合SCTE的“功率密度”定义），而以dBm表示的曲线图则便于显示与带宽无关的MMIC压缩特性。
对于级联设计，通过调节驱动器IC前的损耗、调节输出级之前的损耗，以及通过选择最适合总增益预算的QPL883x输出级来设置总增益，可以控制其NPR动态范围。
图8：使用多个带宽时 NPR 与功率密度或绝对功率的关系。
图9显示了通过改变输出级将输出级增益从19dB降至15dB的结果。在该测试中，两次扫描的带宽均为204MHz，因此两条NPR曲线的左侧保持不变（由系统噪声带宽决定）。降低增益使NPR曲线压缩侧发生扩展，从而扩展了整体动态范围。假设信号不受增加损耗的噪声限制，通过提高输出级的输出电压和电流，或者调节级间损耗以降低到达最终级的信号电平也可以实现曲线压缩侧扩展。
图9：更改输出增益级对NPR动态范围的影响。
器件灵活性
QPL883x系列器件引脚兼容，便于灵活更换器件。因此，用户可使用任何具有12dB、15dB、17dB、19dB和21dB增益的QPL883x器件来更换输出器件，从而改变整体系统增益。
参考板295446：利用级间电压控制衰减器
下图的参考设计使用QPB8896、RFSA3043和QPL8832，可以看出改变级间衰减量带来的影响。
图10中的S21与VC关系图显示，当RSA3043的控制电压从0V升到5V时，其增益增大，衰减接近0dB。而NPR与VC关系图显示，当RFSA3043的衰减减小时，由于向输出级施加了更高的信号电平，NPR曲线的压缩侧向左移动。
图10：不同级间衰减对NPR动态范围的影响。
低功耗选项
下图的参考板295130使用QPB7425作为驱动器，其后连接QPL8832。QPB7425是一款与QPB8896具有相同噪声系数性能的单端器件，但其功耗和线性度低于差分式QPB8896（尤其是OIP2）。如果无需达到QPB8896-QPL8832参考设计（295128）的高输出能力，设计人员可利用此参考设计的优势来降低功耗。
为了更好地应对DOCSIS 4.0的信号要求，在输入端和VDD之间添加一个150K上拉电阻来增加QPB7425偏置电流。
对于平坦负载，输出TCP能力接近QPB8896-QPL8832版本，但上端会显示单端初级的一些限制。随着倾斜的增加，这些限制在下端变得更加明显。如果无需达到QPB8896+QPL883x组合的较高线性性能，设计人员可采用此方法以较低功耗实现同等增益和噪声系数。QPB7425还可以采用灵活的工作电压和电流，适合需针对其他工作环境定制的5V至8V设计（有关偏置的详细信息，请参阅QPB7425数据手册）。
上行倾斜
当上行带宽增加时，需要考虑补偿放大器之间的损耗。参考电路板295445采用了Qorvo的一款5MHz至684MHz集成线性均衡器QPC7334。与第一个示例类似，我们使用 QPB8896来驱动QPC7334均衡器和QPL8832输出级。
由于QPC7334适用于684MHz的应用，因此本例中QPB8896使用插入损耗略高的700MHz 1.33:1巴伦来改善684MHz应用整体的输出回波损耗。这样会增加噪声系数，将略微改变NPR曲线，但在684MHz带宽下工作时可以改善输出回波损耗（有关详细信息，请参见QPB8896数据手册）。
图11：参考电路板增益响应与控制电压的关系。
由于在QPB8896之后应用倾斜，因此倾斜增加只会对QPL8832输出级产生影响。
当倾斜水平增加时，系统增益不会改变以适应复合功率损耗，而较低信道的CNR会朝向输出器件的噪声和互调基底下降。
如前所述，QPL883x系列能够在很宽的电流和电压范围内工作，这将有助于解决高倾斜时的性能损失问题。增大IDD将会使线性度略有改善，但增大VDD可以最大程度地提高线性度增益。
基于QPC3043、QPC4043或固定无源均衡器的分立式有源电路也可针对线性损耗或电缆损耗曲线用于其他分频。
稳定性
在75欧姆环境中，频率高达3GHz时可检测完整路径是否稳定，如果在50欧姆环境中存在带宽更高的可用系统，则6GHz至8GHz应足以确保这些器件的稳定性。
带宽限制
DOCSIS 4.0上行设计的最后一个考虑因素是为上行路径提供充分的带宽限制，以确保下行和上行路径不会相互影响，防止系统不稳定。由于上行MMIC旨在针对684MHz的频率范围提供功率输出，其增益带宽积将扩展到684MHz以上，这意味着，在良好的设计实践中，除了为所需上行分频定制的系统双工器外，可能还需要在上行路径中配置低通滤波。根据设计人员的实践经验，还可采用其他方法来提高带外抑制，例如：在上行MMIC上使用窄带巴伦（例如，5-200MHz巴伦用于204MHz分频），以及增加QPL8896和 QPL883x上的输出并联电容，使带外增益实现滚降，这可能需要对输出匹配进行额外调谐，具体取决于所用的电容量。
结论
当上行系统带宽增加时，放大器的性能和复杂性也随之增加。如今，大多数上行设备的运行频率为108MHz，有些达到204MHz。未来的网络需以684MHz 为目标进行能力规划，要求具有更高的增益、功率和倾斜能力。利用Qorvo的构建模块方法，借助小尺寸、低功耗放大器以及衰减器、均衡器和开关设备组合，客户可以根据需要在其终端应用中进行配置。Qorvo还提供增值服务，为客户定制评估板，便于客户在最终设计和实施之前测试解决方案。
本文转载自Qorvo半导体微信公众号
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