利用 DPD 和 75Ω 有线电视开关，发挥全双工 DOCSIS® 3.1 架构的潜能
2019 年 2 月 21 日
来自消费者和 5G 无线网络的压力正促使有线电视 (CATV) 提供商比过去更积极地谋求发展。目前，有线电视行业正有条不紊地制定下一代有线电视生态系统的新标准，其中包括全双工 (FDX) DOCSIS 3.1，它承诺在现有的光纤同轴 (HFC) 混合系统的上游和下游提供 10 Gbps 数据传输速率。
但是，要实现 FDX，需要启动高度线性的设备，以支持数字预失真 (DPD)，包括 75Ω 有线电视开关。本博客探索了 DPD 如何在有线电视光纤节点上工作，助您了解如何为自己的应用选择合适的开关。
FDX 需要更高的 Pout、更低的误差和 DPD
分布式接入架构 (DAA)、光纤深度和远程 PHY/远程 MAC PHY 正将某些功能从主控端移动到更靠近用户的光纤节点。但是，如果不针对 DOCSIS 3.1 FDX 架构进行设计，就不可能在 DAA 上达到 10 Gbps 的上游和下游数据传输速率，也无法保有与 5G 蜂窝基础设施竞争的能力。
在之前的博客中，我们讨论了实施全双工 DOCSIS 所面临的一些 RF 挑战。为了启用 FDX，两个最关键的要素包括：
- 调制误差比 (MER)。MER 是有线电视系统中测量误差和线性度的一种方法。FDX 面临的挑战在于获得大量 RF 功率的同时，降低误差（MER 更低）。要做到这一点，就需要 DPD。
- 数字预失真 (DPD)。DPD 是一种利用数字信号处理技术消除失真的软件方法。它允许功率放大器 (PA) 具有相同的 MER 和输出功率，但电流更低，要达到 FDX 更高的功率输出要求，这些都是必不可少的。这种技术在无线市场上得到了广泛的应用，但在有线电视网络中却没有那么普遍。
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简而言之，功率放大器需要提高效率，达到 76.8 dBmV 复合输出功率，且具备更出色的 ACPR（线性度），才能最终满足 FDX 对于 MER 的规范要求。尽管功率放大器硬件实现了大部分的线性度改进，DPD 在这方面的贡献较小，但这部分贡献却不可或缺。
数字预失真在有线电视节点上如何工作
在更高水平上，DPD 可模仿并预测放大器的非线性行为，并在功率放大器的输入端注入反向信号，从而减少放大器的非线性行为，解决整体的电流消耗问题。下图展示了带 DPD 和 不带 DPD 的功率放大器的非线性特性。
对于有线电视光纤节点，节点中的数模转换器 (DAC) 电路使用软件，通过耦合器测量每个功率放大器输出，以此确定哪个功率放大器的线性度最差。然后电路会基于最差的测量值来计算 DPD 算法，并从下游将校正结果发送给所有功率放大器。线性度最差的设备得到最大程度的校正，最终结果就是，多台设备比在没有采用 DPD 算法时更出色地运行。
在典型的四端口节点中，链中 RF 放大器的功耗约为 85W，其中 72W 来自于最后一个功率倍增器 PA。使用 DPD 可对每个功率放大器进行线性化处理，并将总功耗降低多达 20%。
面向 DPD 的 SP4T、SPDT 或 SPST 解决方案
在线缆光纤节点中启用 DPD 需要 75‑Ω 的开关。何时应选择 SPST、SPDT 或 SP4T 开关？这完全由节点的几何形状（物理布局）决定。场中的节点在盒子两侧可能都有输出，其轨迹可能无法进入单个 SP4T 开关。
对于 DPD，不存在唯一正确的设计方法。最终的设计方法要以客户的应用、布局、偏好以及性能需求和成本为基础决定。
术语表
- ACPR: 邻道功率比
- ADC: 模数转换器
- CATV: 有线电视
- DAA: 分布式访问架构
- DAC: 数模转换器
- DOCSIS: 有线电缆数据服务接口规范n
- DPD: 数字预失真
- FDX: 全双工
- HFC: 混合光纤同轴
- MER: 调制误差比
- PA: 功率放大器
- PHY: 物理层
- SP4T: 单刀四掷
- SPDT or SP2T: 单刀双掷
- SPST: 单刀单掷
下方的框图展示了在四端口光纤节点中实施 DPD 的三种不同设计方法：
- 1 个 DPD 通道 + 1 个 SP4T 开关。在标准四端口光纤节点中，电路采用一个 DAC 驱动四个输出，以此监测 4 个功率放大器。它使用一个 SP4T 开关、一个模数转换器 (ADC) 和 DPD 算法来调节所有四个功率放大器。
- 1 个 DPD 通道 + 3-4 个开关。这种方法使用 1 个 ADC 和 3 个 SPDT 开关，或 4 个 SPST 开关，而不是 1 个 ADC 和 1 个 SP4T 开关。4 个输出放大器均可单独监控，以确定最佳的 DPD 校正因数。这种方法使用了更多的组件和开关，但是它可以提供更精确的输出，或者在单独的节点设计中更出色地工作。下面的第一个示意图使用了 3 个 SPDT 开关，而第二个示意图使用了 4 个 SPST 开关。
吸收式/反射式开关
除了开关和掷的数量之外，为这些 DPD 节点应用选择正确的开关类型也很重要。您可以选择吸收式开关或反射式开关。它们的主要区别如下：
吸收式开关：
- 当开关“关闭”时，内部端接至 75Ω
- 更高隔离度
- 更高插入损耗（额外的内部开关所致）
- 更低功耗（端接所致）
- 更高成本
反射式开关：
- 内部不端接，在开关“关闭”时保持开启
- 更低隔离
- 更出色的插入损耗
- 更高功率处理
- 开关时间更快
- 更低成本
最终选择哪种，取决于成本与性能。如果功率处理和较低的插入损耗对于设计非常关键，则选择反射式开关。如果更高的隔离度非常重要，且设计可以处理额外的插入损耗和更高成本，请选择吸收式开关。
总结
实施 DPD 时，需要更多的设计资源和更多成本来购买额外的组件及开关。但是，其优点大于缺点，因为您可以获得自适应系数；自我校准、更加线性的 PA 输出；电流消耗减少，最重要的是，实现了 FDX。
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