【導讀】從2003年至今，電纜服務(wù)寬帶數(shù)據(jù)訂閱用戶數(shù)量的復(fù)合年增長率接近14%，并且增長趨勢沒有放緩，而要想在消費者數(shù)據(jù)需求增長的環(huán)境下保持領(lǐng)先地位，電纜服務(wù)提供商需要升級其分配系統(tǒng)。本文介紹的電纜系統(tǒng)下游發(fā)射機設(shè)計也許是個不錯的參考。
過去十年間，電纜系統(tǒng)中使用的寬帶數(shù)據(jù)數(shù)量增長迅猛。從2003年起，電纜服務(wù)寬帶數(shù)據(jù)訂閱用戶數(shù)量的復(fù)合年增長率接近14%。近年來，數(shù)據(jù)使用增長的趨勢沒有出現(xiàn)放緩的跡象，因為越來越多的消費者使用基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)來實現(xiàn)視頻流、音頻流和游戲應(yīng)用。
電纜服務(wù)提供商正在升級其分配系統(tǒng)，從而在消費者數(shù)據(jù)需求增長的環(huán)境下保持領(lǐng)先地位。傳輸系統(tǒng)的本質(zhì)是從多址傳送系統(tǒng)發(fā)展成多址傳送和窄播相結(jié)合的系統(tǒng)，前者向所有的訂閱者都發(fā)送相同的信號，后者中有些內(nèi)容由所有訂閱者共享，有些內(nèi)容直接發(fā)送至特定的訂閱者。
電纜系統(tǒng)下游發(fā)射機
數(shù)字電纜發(fā)射機已從傳統(tǒng)發(fā)射機發(fā)展到直接調(diào)制技術(shù)，傳統(tǒng)發(fā)射機中的一對基帶DAC用來驅(qū)動正交調(diào)制器，正交調(diào)制器的本振用來選擇正確的RF頻率。
在直接調(diào)制發(fā)射機中使用了一個RF DAC，電纜通道全部創(chuàng)建在數(shù)字域中，通常為FPGA。數(shù)字信號從FPGA發(fā)送至RF DAC，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號然后發(fā)送至功率放大器。典型電纜發(fā)射機的簡化框圖如圖1所示。
圖1(a)：使用多個RF DAC和一個RF合成器實現(xiàn)完整電纜頻譜的典型電纜發(fā)射機框圖
(b)：使用新型AD9129 RF DAC的新型電纜發(fā)射機框圖
(b)：使用新型AD9129 RF DAC的新型電纜發(fā)射機框圖
在圖1(a)中，發(fā)射機由幾個RF DAC組成，這些RF DAC由幾個FPGA驅(qū)動，然后每個RF DAC的輸出發(fā)送至前置放大器。前置放大器的輸出組合后反饋至驅(qū)動電纜設(shè)備的單個功率放大器。使用該架構(gòu)的原因是，以合理功耗來綜合大量數(shù)字信號的FPGA的柵極數(shù)量和容量是有限的，而且每個RF鏈都可以針對特定頻帶進行優(yōu)化。
RF DAC通常具有信號處理功能，可以限制可能產(chǎn)生的總RF帶寬，但可以減少FPGA的接口要求。上一代RF DAC具有良好的性能，但諧波性能不能滿足嚴格的DOCSIS規(guī)格，因此需要進行細致的頻率規(guī)劃和RF濾波器設(shè)計才能達到可接受的性能。
其架構(gòu)可能采用每個RF DAC 2、4或8個256-QAM通道，雖然需要耗費額外的硬件成本，但可以提供可擴展性。該架構(gòu)存在若干不足之處。隨著所需通道數(shù)量的增加，RF合成器變得更加復(fù)雜，隨著每個DAC通道的增加，合成器的損耗也會增加。
每個FPGA+RF DAC+前置放大器鏈的功耗很大，可能達到每通道10 W。所需的多個RF鏈可能需要多卡來實現(xiàn)158通道的完整電纜頻譜，每張卡的功耗為1 kW或更高。在一個設(shè)備中安放多張卡是為1000戶的群組提供服務(wù)所必需的。
系統(tǒng)變得很大，需要多張卡才能為每個1000戶的群組提供服務(wù)。因此需要大型設(shè)施或建筑將所有的卡安放在大型機架或機殼中，必須特別注意機架冷卻系統(tǒng)，將建筑保持在適當?shù)墓ぷ鳒囟人璧馁M用也很高。
如今，由于柵極數(shù)量的增加和細線CMOS工藝的出現(xiàn)，F(xiàn)PGA可以實現(xiàn)足夠高的密度，從而在FPGA（驅(qū)動一個RFDAC）上創(chuàng)建整個1586MHz寬電纜通道。結(jié)合ADI公司的新型AD9129 RFDAC后，可以設(shè)計出更加簡化的電纜發(fā)射機。
圖1(b)顯示的是新型發(fā)射機的框圖，這種發(fā)射機能夠合成50MHz～1GHz的整個下游電纜頻譜。FPGA中的數(shù)字調(diào)制器以2.8GSPS的高采樣速率驅(qū)動AD9129 RFDAC。
DAC具有一個可選2倍插值器濾波器，可以用來實現(xiàn)帶外元件的片上數(shù)字濾波，可將有效采樣速率提高到5.6GSPS。DAC輸出采用低通濾波器進行濾波，并從Triquint TAT2814發(fā)送至新的高度集成的可變增益放大器和驅(qū)動放大器。
放大器將前置放大器、可變衰減器和驅(qū)動器放大器集成在一個模塊中，實現(xiàn)了新的集成水平。這使得無線電部分的布局變得緊湊，并減小了每個無線電端口的物理尺寸。
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設(shè)計示例
1、RF DAC
AD9129 RFDAC的采樣速率高達2.8GSPS。這種高采樣速率的優(yōu)點在于，DAC鏡像折疊比之前的解決方案高fDAC/2。這可以防止鏡像在600MHz下折疊，從而降低其抑制要求。數(shù)據(jù)通過時鐘頻率為700MHz的雙LVDS端口傳輸至DAC，數(shù)據(jù)輸入至時鐘的兩個邊沿，每個端口上的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.4GHz。
DAC的電流驅(qū)動架構(gòu)和細致設(shè)計可以實現(xiàn)出色的雜散性能和噪底。DAC采用0.18μm工藝，使得功耗降至約1.1W。
2、低通濾波器
在DAC和放大器之間，無源信號調(diào)理有助于滿足DOCSIS規(guī)格，實現(xiàn)所需的帶外抑制比和功率波動。設(shè)計示例中選用了七階橢圓濾波器來解決帶外抑制問題。AD9129DAC的2.305 GSPS低采樣速率用來評估低通濾波器帶外性能，因為鏡像在低采樣速率時折疊在離電纜帶更近的位置。
1GHz通道的鏡像需要特別注意，因為它落在1.3GHz的位置，離所需信號僅300 MHz。該設(shè)計針對1.3GHz鏡像達到了62.5dBc的鏡像抑制，符合DOCSIS規(guī)格對于帶外抑制比要求。兩個串聯(lián)諧振均衡器用來解決電纜帶上由于DAC輸出上的sinc滾降和功率放大器中的額外滾降造成的功率波動問題。均衡器在電纜帶中的最高功率通道和最低功率通道之間達到的功率波動約1.4dB，滿足DOCSIS規(guī)格，無需任何輸入信號的數(shù)字操控。每個獨立通道的功率都可以進行數(shù)字調(diào)整，以便在電纜帶上實現(xiàn)更加精細的調(diào)諧平坦度。
3、輸出放大器
TAT2814輸出放大器將三項功能合并在一個封裝內(nèi)，大大降低了電路板空間，具有高集成度。這款放大器可能達到的總增益約30dB。輸出能夠為1通道256-QAM信號提供高達+65dBmV的功率。放大器在GaAs工藝中實現(xiàn)，并針對低功耗進行了優(yōu)化。該集成器件的總功耗約4.2W。
4、非線性校正
非線性校正(NLC)用來改進整個信號鏈的帶內(nèi)諧波性能，校正來自DAC和功率放大器的失真，以及可能沿信號鏈產(chǎn)生的其他失真。NLC過程可以進行編程設(shè)置，以使電路板滿足規(guī)格要求，或留出指定的裕量，以允許制造容差。NLC校準僅需幾分鐘，可大大改進系統(tǒng)性能。
圖2：設(shè)計示例輸出端158DOCSIS256-QAM通道的整個電纜帶
5、測量結(jié)果
我們用AD9129設(shè)計了一塊優(yōu)化布局的電路板，并測量了其性能。具有所有158個通道的信號用來測試電纜帶上的電路板響應(yīng)平坦度。圖2所示為以整個頻帶信號作為輸入的優(yōu)化電路板輸出。最高和最低功率通道之間的功率波動僅約1.4dB，在DOCSIS規(guī)格內(nèi)，且能夠通過數(shù)字操作輸入信號進一步改進。
測試顯示，電路板可以用4dB裕量來可靠校正，使系統(tǒng)在制造容差內(nèi)保持穩(wěn)定。
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