数字正交幅度调制调制器的概念和优势 支持电缆接入平台系统

数字射频调制器是一种满足严格的 DOCSIS 射频性能要求的集成解决方案，它利用了高性能宽带数模转换和 CMOS 技术缩放等现代技术。本应用笔记介绍了数字正交幅度调制（QAM）调制器的概念和优势，该调制器采用直接RF架构支持电缆接入平台（CCAP）系统。

介绍

对视频和数据等有线宽带数字服务的需求正在以每年30%至40%的速度提高下游数据速率。与此同时，消费者希望在家中为越来越多的连接设备花费大致相同的费用。事实证明，使用模拟技术的当前一代下游调制器在长期内成本高昂。服务提供商发现，通过使用现有接入平台的增量升级来满足不断增长的带宽需求过于昂贵。

最终，用户和提供商面临的问题是相同的：满足带宽需求。模拟变送器不再是答案。相反，新一代数字RF调制器提供了高密度和低成本的解决方案，以满足未来的带宽要求。数字射频调制器采用直接射频架构，可实现用于全频谱正交幅度调制（QAM）传输的融合电缆接入平台（CCAP）。这些数字RF调制器的容量也是模拟调制器的32倍，每个发射QAM通道的功耗是模拟调制器的二十分之一。

本应用笔记介绍了数字QAM调制器的概念和优势，该调制器采用直接RF架构支持CCAP系统。

为什么直接射频发射器要取代模拟发射器

有线电视 （CATV） 的 CCAP（图 1）结合了边缘 QAM 设备传输的视频和电缆调制解调器终端系统 （CMTS） 传输的高速互联网接入服务。传输的QAM调制数字载波包括广播电视和窄播服务，如视频点播（VoD）、交换数字视频（SDV）和高速互联网。这些载波填充50MHz至1000MHz带宽的下游CATV频谱。多达 158 个（6MHz 宽）QAM 载波（通道）从 CCAP 前端中的单个射频端口占用整个频谱。单个线卡中最多存在 8 到 12 个 RF 端口，单个 13RU CCAP 机箱中可以存在五个以上的下行线卡。

图1.有线电视频谱包括广播和窄播服务。

下游 CCAP 物理层 （PHY） 需要高密度的射频调制器。反过来，这些QAM调制器必须具有低功耗、可扩展性和QAM载波敏捷性。在老一代前端中，来自多个超外差模拟发射器的 QAM 载波组合在一起，以完全填充 CATV 频谱（图 2）。但是，该方法可能需要单个CCAP RF端口超过300W。然而，直接RF发射器（图3）在数字域中轻松执行QAM载波的数字上变频（DUC）和调制，并且可以在ASIC或现场可编程门阵列（FPGA）中实现。这种类型的数字架构仅由宽带RF数模转换器（RF DAC）实现，因为QAM载波的整个频谱由单个RF链传输。

图2.老一代模拟上变频器结合了多个模拟发射器。

图3.直接RF发射器是单个信号链。

在CCAP系统中，直接RF发射器有一个显著的优势：现在在数字域中实现的整个信号处理可以从CMOS工艺几何形状中受益。CMOS工艺允许在小尺寸和低功耗下实现更高的通道密度。通过一个例子很容易看出这种方法的好处。

MAX5880为128通道DUC和QAM调制器，用于驱动RF DAC（图4）。它接受来自FPGA的前向纠错（FEC）编码符号，执行QAM调制、脉冲整形和每个QAM通道的重采样。然后，它组合、插值和调制多达128个QAM通道，以驱动RF DAC。RF DAC的采样速率必须大于2Gsps才能合成整个CATV频段;它还必须满足严格的 DOCSIS® 射频性能要求。本设计采用14位4.6Gsps MAX5882 RF DAC。

图4.MAX5880为128通道DUC和QAM调制器，驱动MAX5882 RF DAC。

MAX5882对1GHz频段进行过采样，更新速率超过4Gsps。请注意，根据奈奎斯特定理，合成2GHz频段需要略高于1GHz的采样率。但是，如果使用 2.5Gsps DAC，则二次谐波 （HD2） 和三次谐波 （HD3） 等主要谐波失真产物会因混叠而折回 1GHz 电缆频谱（图 5A）。这些失真产品可能违反 DOCSIS® 发射机的带频性能要求。但是，如果使用4Gsps DAC（图5B），HD2和HD3永远不会折回CATV频段。

 

图5.使用 2.5Gsps DAC （5A） 和 4Gsps DAC （5B） 合成电缆频段。

数字RF QAM调制器芯片组的RF输出如图6所示，适用于128GHz范围内6MHz宽的1个通道。射频性能完全符合 DOCSIS 射频要求。DUP和DAC总共耗散约6W，用于传输128个QAM通道。与传统的模拟RF调制器相比，每个QAM通道的功耗可节省约95%。每个芯片均为 17mm x 17mm，采用 256 引脚 CSBGA 封装，从而实现下游 CCAP 线卡所需的射频端口密度。

图6.电缆RF频谱为128个QAM通道，使用DUC（MAX5880）和RF DAC（MAX5882）芯片组。

总结

新型数字RF调制器利用了高性能宽带数模转换和CMOS技术缩放等现代技术。数字射频调制器是一种高度集成的解决方案，还满足严格的 DOCSIS 射频性能要求。电信公司现在有机会为有线服务提供商提供技术，以满足明天的宽带需求，而且在今天具有成本效益。

审核编辑：郭婷