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DOCSIS 4.0讓寬帶運營商獲得了前所未有的速度

Qorvo半導體 ? 來源:Qorvo半導體 ? 2020-06-24 15:48 ? 次閱讀

日前,Qorvo 技術專家 Frank Zhu 參加了一場在線研討會,為大家帶來了新一代有線寬帶到來之后,給產業帶來的挑戰和解決方案的分享。而要談這個,就必須先談一下最新的有線電纜標準 DOCSIS 4.0。

據 Frank Zhu 介紹,所謂 DOCSIS 4.0, 就是一個能夠把寬帶運營商網絡下行速度提升到 10Gbps 的標準。得益于一些和以前標準不一樣的設計,DOCSIS 4.0 讓寬帶運營商獲得了前所未有的速度。而放大器將在這個應用場景中扮演一個很重要的角色。為了說明這一點,Frank Zhu 首先介紹了放大器在過去多年的發展歷程。

從他的介紹我們得知,如上圖所示,在 1949 到 1960 年代初期間,放大器應用支持二個到十三個信道。而為了實現這個目標,行業最初也只是使用單端的放大器,這些放大器也僅能執行功率放大的作用。

到了上世紀六十年代中之后,有線寬帶帶寬從之前的 200Mhz 增加到 300Mhz,這就催生了第一代的 push-all 架構的放大器。這種架構產品的好處是能夠消除二階的一些非線性,能讓 CSO 的指標指標有所提升;此外,這種級聯式的設計,給放大器帶來了更寬的增益帶寬和更高的輸出能力;這個架構產品的另一個大的改進,是它們建立了一種 SOT-115 的封裝,這讓客戶的設備生產商在制造設備的時候,有個即插即用的效果,也能更好的維修,幫助降低客戶的成本和維修費用

到了 20 世紀 80 年代之后,寬帶的帶寬有了更進一步的提升,這就促進了第一代的基于硅技術的一個 PD 放大模塊的產生;

到了 90 年代末和新世紀初,帶寬從幾百兆升級到了 Ghz,于是就推動了 DOCSIS 1.0 的產生。隨著帶寬的提升,和傳輸速率提升的要求,DOCSIS 標準也在提升。而放大器也從之前的硅基放大模塊,轉換到了砷化鎵放大模塊和砷化鎵的 MMIC,后者也逐漸成為了業界的主流。

而從 2009 到現在,業界使用的主流標準是 DOCSIS 3.1,帶寬需求也提升到了 1.2Ghz 甚至 1.8Ghz。在這種前提下,RFM 在 2009 年設計出了一塊用 GaN 技術制造的功率放大器模塊。

在介紹了功率放大器的一些歷史背景后,Frank Zhu 接著介紹了功率放大器技術的演進。如下圖所示,我們可以看到,在過去幾年,放大器的制造材料從 Si、演進到了 GaAs,再到現在的 GaN 方,這些改進的目標都是為了滿足高帶寬的需求。“GaN 會成為主流,因為他們能提供更高速率的輸出,更好的穩定性和溫度范圍等等。”Frank Zhu 補充說。

在談 DOCSIS 4.0 時,Frank Zhu 強調,新標準最主要的改進是給運營商提供一個更高的、可用的數據帶寬。同時給用戶提供更高的上下行速率。要實現這個目標,就需要兩個重要的關鍵技術:一個叫做 ESD,也就是把原來的帶寬進行擴充(從 1.2Ghz 擴展到 1.8Ghz);另一個技術叫 FDS(全雙工),把上行帶寬從 300Mhz 擴充到 700Mhz,也能把上行和下行帶寬進行復用,進一步把上下行速度提升。

從整個架構來說,DOCSIS 4.0 對于運營商來說需要升級或者布網,這相對而言也比較流暢。為此海外運營商把目光投在帶寬的擴充上面。

為了深入說明不同帶寬和標準帶來的設計要求,Frank Zhu 還介紹了不同帶寬下的不同架構。

從他的介紹我們得知,在 1Ghz 的時候,業界使用的是 HFC 架構,在這個架構下可以支持 6Gbps 的下行速率和 0.4Gbps 的上行速率。而大部分運營商會采取這種分布式的布網架構,因為這種布網成本比較低,且靈活性比較高;

到了 1.2Ghz 時代,出現了 Fiber Deep N+0 架構。Frank Zhu 指出,這個時代的一個顯著特征就是光進銅退,其實就是將(XX)技術加入到布網以后,我們可以把光纖技術從頭端向用戶端移。這樣做的好處就是用光纖的傳輸代替銅軸傳輸,這就降低了傳輸損耗,提升了傳輸速度。

而到了 DOCSIS 4.0 時代,下行速度從過往的 1.2Ghz 時代的 8Gbps 左右提升到現在的 10Gbps,上行速度率也可以做到 5.2Gbps,這就給終端用戶帶來更多的應用可能。從上圖可以看到,這個時代的網絡架構是采用 N+X 的架構,這樣做的主要考慮就是想先把帶寬擴充,同時還可以控制升級成本。

Frank Zhu 表示,毫無疑問,DOCSIS 4.0 對信號的傳輸帶寬提出了更高要求,這主要體現在射頻放大模塊的兩個方面:一方面是 TCP,帶寬的增高,對功率必然提出一個更高的要求,隨之而來的是需要更高的效率去保證他散熱;另一方面,隨著輸出功率的提高,對器件的線性度也提出了更高的要求。這就驅使放大器的制造材料從 GaAs 升級為 GaN。

“除此之外,我們還需要用其他的技術來改善放大器的工作,DPD 就是其中的一個。它主要的作用是讓射頻放大器工作在一個相對的非線性的狀態,同時還可以通過 DPD 的校正,進行一定的補償,這樣就可以提升功放的效率,對散熱是一個不錯的幫助。”Frank Zhu 接著說。

他指出,GaN 器件的出現,讓產品可以工作在較高電壓(大約 50V),且對器件的穩定性有了大幅度的提升。此外,由于 TCP 的提高,對放大器的散熱提出了更高的要求,因此放大器內部對 die 的承受功率,也提出了更高的要求,而 SOT-115 封裝,在這方面也有優勢。

從下圖,我們看到了新標準帶來的變化,而 Qorvo 也做好了準備。功率倍增的放大模塊則是我們推出的極具競爭力的產品,當中包括 QPA3310 和 QPA3315。

如下圖所示,QPA3310 支持 24V 的設計,而 QPA3315 支持 34V 的設計,兩者也支持到 1.8Ghz 的帶寬,也擁有同樣的封裝。但如圖所示,在電流和功耗也有所不同。這就給客戶提供了高輸出高功耗和功率小功耗低不同的兩種選擇。

提到放大器模塊的輸出,必須要談到放大模塊的信道配置。因為新標準的帶寬從以前的 1.2Ghz 提升到如 1.8Ghz,這就帶來了完全不同的信道配置要求。我們將做一個比較詳細的解析。

如上圖所示,我們提供了三張不同信道配置的圖,覆蓋了從 111Mhz 到 1.8Ghz 的信道配置,這主要是為了體現在不同帶寬的情況下,如果使用相同的配置,有可能讓功放難以滿足相關需求。為此我們需要考慮在保證 TCP 的前提下,如何配置我們帶寬內的信道。

從下圖,我們也可以看到 TCP 對整個方案或放大器設計的影響.

從下圖實測數據,我們也能夠看到 QPA3310 和 QPA3315 兩者在實際測試中的表現差異。

如上圖所示,QPA3310 的 S 參數。而下圖則展示了 QPA3310 的功率跟線性的關系。其中圖左是 TCP 跟 MER 的關系,圖右則是最高信道功率跟 MER 的關系。

下圖則是 QPA 3315 的功率和線性度的關系。與 QPA 3310 相比,QPA 3315 的輸出功率明顯更大。

而從下圖,我們可以看到 QPA 3315 基于 Zig Zag 信道配置所做的 TCP 跟 MER、BER 的對比。

如下圖,我們對前文談到的線性和功率做了一個總結,可以看到 QPA 3310 和 QPA 3315 在不同信道模式的配置下,輸出效率有所不同。也可以給讀者提供一個更好的參考。

除了這兩個放大模塊,Qorvo 在這個領域還提供了包括小功率放大器和控制器件在內的多種面向 DOCSIS 4.0 的器件。如下圖所示,這是一個典型的光節點的基本架構圖。從這可以看到完整的射頻鏈路,當中用到各種各樣的器件,當中 Qorvo 能提供不少能滿足 DOCSIS 4.0 的方案,解決客戶的設計問題。

例如,Qorvo 提供了能實現和增益放大模塊一樣功能的 MCM 模塊,給客戶提供了更多的選擇。

下圖是我們能提供的大功率增益放大器,可以滿足 DOCSIS 4.0 需求的多款器件。Qorvo 目前還在規劃更多產品,力求給開發者提供更多的幫助。

除了大功率的放大器外,Qorvo 還提供小功率的放大器,可以應用到類似上行電路等相關場景中。從下圖可以看到,針對不同的功率需求,Qorvo 開發了一系列的產品,以供客戶選擇。

下圖則是 Qorvo 針對這個市場提供的一些單端放大器。

除了放大器外,Qorvo 還能提供一些控制模塊。

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原文標題:Qorvo 助你為 DOCSIS 4.0 做好準備

文章出處:【微信號:Qorvo_Inc,微信公眾號:Qorvo半導體】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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