通過損耗測試實(shí)現(xiàn)高性能調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)

線纜調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)中語音、視頻和數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性日益增強(qiáng)，為了實(shí)現(xiàn)三者之間的并行傳輸，設(shè)計(jì)工程師必須開發(fā)出解決網(wǎng)絡(luò)傳輸損耗的測試方法。為了迎接這個(gè)新挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)工程師正努力開發(fā)調(diào)制解調(diào)器以及利用電纜數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)接口規(guī)范DOCSIS 1.1的前端設(shè)備。DOCSIS 1.1標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)在于可提供一整套的QoS技術(shù)對調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的語音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級分配。

但僅僅只滿足DOCSIS 1.1標(biāo)準(zhǔn)是不夠的，調(diào)制解調(diào)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的損耗有可能影響到網(wǎng)絡(luò)上的語音、視頻和數(shù)據(jù)的傳輸。為解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)工程師必須盡可能按實(shí)際運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。

解決這個(gè)問題的關(guān)鍵在于正確的測試。通過用強(qiáng)大的測試方案，設(shè)計(jì)工程師可有效地仿真噪聲和干擾對調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)及設(shè)備產(chǎn)生的影響。這樣，設(shè)計(jì)工程師可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的早期設(shè)法消除或減小這些影響。

HFC網(wǎng)絡(luò)

目前多數(shù)服務(wù)運(yùn)營商已經(jīng)對電纜網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備進(jìn)行了升級，這些網(wǎng)絡(luò)能支持高速雙向數(shù)據(jù)、語音和視頻傳輸。目前已升級的雙向電纜網(wǎng)絡(luò)可在光纖和同軸電纜的混合線纜上傳輸廣播電視、高速數(shù)據(jù)以及語音業(yè)務(wù)。

光纖用來傳輸調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng)(CMTS)的數(shù)據(jù)包。光纖將信息從終端系統(tǒng)傳輸?shù)奖镜氐墓饨狱c(diǎn)，而從光節(jié)點(diǎn)到目的地之間剩余距離由同軸電纜傳輸。由于同時(shí)使用了光纖和同軸電纜，通常稱這類網(wǎng)絡(luò)為光纖－同軸(HFC)混合線纜網(wǎng)絡(luò)。

光纖主要用來傳輸前端和用戶之間的數(shù)據(jù)。光纖需要的放大器數(shù)目少于同軸電纜，而且光放大器具有比同軸電纜放大器更好的噪聲和失真特性。

調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)必須排除多種損耗情況，其中最主要的兩種是噪聲和干擾。各種來源的噪聲和干擾將對HFC網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包傳輸產(chǎn)生失真。包括一般家用電器在內(nèi)的許多設(shè)備，如垃圾處理機(jī)和攪拌機(jī)都將發(fā)射位于上行頻帶(美國規(guī)定為5MHz至42MHz)的信號。

這些信號通過屏蔽較差的電纜或者通信設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，因而一般稱為入口干擾。入口干擾通常具有脈沖特性和窄帶特點(diǎn)，這是因?yàn)檫@類干擾信號一般是在很小的頻率范圍，在瞬間具有很高的功率電平。

除了入口干擾，HFC網(wǎng)絡(luò)上的其它傳輸流，如來自其它調(diào)制解調(diào)器用戶的信號和電視信號也能干擾數(shù)據(jù)包的傳輸。這些信號可能同時(shí)出現(xiàn)在下行和上行信道，并且干擾信號具有與數(shù)據(jù)信號相同的頻率(這種干擾稱為同頻道干擾)或相近的頻率(這種干擾稱為鄰頻干擾)。

入口干擾與其它干擾信號相結(jié)合能降低信道的載噪比(CNR)，隨著前向糾錯(cuò)(FEC)技術(shù)在傳輸差錯(cuò)處理中的作用日益突出，較低的CNR同時(shí)也降低了數(shù)據(jù)的傳輸效率。在一定程度上信號損耗是不可避免的，無論HFC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)得如何完備，總會(huì)出現(xiàn)一定的入口干擾和其它干擾信號，并影響調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)的性能。

某些設(shè)備生產(chǎn)商在CMTS中還采用了專有技術(shù)，通過將入口干擾的影響降至最低來獲得最佳性能。一個(gè)實(shí)例是CMTS在信道中采用入口干擾信號檢測并改變上行信道的功能。設(shè)備生產(chǎn)商和業(yè)務(wù)提供商在考慮干擾問題時(shí)都應(yīng)考慮這類先進(jìn)功能。新開發(fā)的DOCSIS 1.1測試工具提供了用于測量調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)性能的各類噪聲、入口干擾和干擾信號源。DOCSIS RF-PHY-22上行數(shù)據(jù)誤包率測試工具詳細(xì)描述了幀丟失特性測試，這種測試得到生成目標(biāo)數(shù)據(jù)包丟失值的載波信號損耗比。PHY-22規(guī)定了在模擬 HFC網(wǎng)絡(luò)的典型情況下出現(xiàn)的各種噪聲和干擾類型，包括背景噪聲、QAM16和QPSK(DOCSIS上行調(diào)制技術(shù))噪聲、連續(xù)波(CW)干擾及AM信號。

信號失真

放大器可用來補(bǔ)償信號通過HFC網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)產(chǎn)生的一種稱為互調(diào)失真(IMD)的損耗。圖1顯示了調(diào)制解調(diào)器無損耗信號的星座圖。星座圖在二維空間上顯示了信號的幅度和相位分量，這里每個(gè)點(diǎn)表示多位數(shù)據(jù)。

圖2的星座圖表示了IMD存在時(shí)的信號壓縮，IMD引發(fā)的調(diào)制解調(diào)器失真信號的星座圖顯示了被壓縮的外部星座點(diǎn)。

這些點(diǎn)的壓縮(這里傳輸功率達(dá)到最大值)將導(dǎo)致調(diào)制解調(diào)器將一個(gè)星座點(diǎn)錯(cuò)譯為另一個(gè)星座點(diǎn)。因此在HFC網(wǎng)絡(luò)傳輸中，隨著星座點(diǎn)表示的信息發(fā)生變化，調(diào)制解調(diào)器出現(xiàn)的誤碼率也將不斷增大。

每個(gè)放大器還有一個(gè)雙工濾波器，在放大器之前和之后濾除帶外信號。當(dāng)多個(gè)放大器用在電纜網(wǎng)絡(luò)時(shí)，雙工濾波器的群延時(shí)與幅度失真響應(yīng)產(chǎn)生總的群延時(shí)和幅度失真。這種情況主要出現(xiàn)在上行傳輸方向，在上行方向的低通濾波器的最高頻率為42MHz。

多個(gè)濾波器的組合響應(yīng)將使濾波器通頻帶邊緣附近的群延時(shí)和幅度失真增加。數(shù)據(jù)在線纜中傳輸時(shí)，上行信道中出現(xiàn)的嚴(yán)重群延時(shí)和幅度失真特性將導(dǎo)致誤碼率顯著增加。HFC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可包含的放大器數(shù)量在5個(gè)到20個(gè)之間，這意味著調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成能夠在較大群延時(shí)和幅度失真環(huán)境下工作。

微反射

同軸電纜設(shè)備，如放大器、耦合器和同軸電纜之間出現(xiàn)的阻抗失配將產(chǎn)生另一種稱為微反射的干擾。當(dāng)出現(xiàn)微反射時(shí)，反射信號經(jīng)過延時(shí)和損耗到達(dá)接收端。多個(gè)反射信號將在接收端產(chǎn)生碼間干擾(ISI)，ISI可能導(dǎo)致接收器檢測到錯(cuò)誤的輸入信號幅度和相位。

DOCSIS 1.1調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中還加入了抵消這種反射的預(yù)均衡功能。CMTS通過在HFC網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的微反射來確定預(yù)均衡系數(shù)，然后將該系數(shù)發(fā)送到調(diào)制解調(diào)器，該調(diào)制解調(diào)器將在以后的傳輸中采用這個(gè)系數(shù)來調(diào)整信號傳輸。

CMTS 和調(diào)制解調(diào)器必須正確地進(jìn)行預(yù)均衡處理，正確的均衡處理可以保證微反射條件下數(shù)據(jù)包的可靠傳輸。DOCSIS RF-PHY-20預(yù)均衡器測試可提供7種不同的微反射測試情況，通過這些情況的測試能對調(diào)制解調(diào)器/CMTS的性能進(jìn)行分析。模擬不同的微反射情況對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師理解調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)在各種條件下的性能至關(guān)重要。

測試系統(tǒng)的要求

深入了解調(diào)制解調(diào)器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵信號損耗非常重要，在進(jìn)行調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮這些損耗因素。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，設(shè)計(jì)工程師必須在系統(tǒng)開發(fā)過程中采用正確的測試系統(tǒng)來仿真噪聲、干擾、微反射及其它損耗。

典型的物理層(PHY)調(diào)制解調(diào)器測試系統(tǒng)包括兩個(gè)主要部分：數(shù)據(jù)包發(fā)生器/分析器和HFC網(wǎng)絡(luò)損耗仿真器。數(shù)據(jù)發(fā)生器/分析器在調(diào)制解調(diào)器和CMTS之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或處理，并采用丟包率和延時(shí)時(shí)間來評估系統(tǒng)的性能。丟包率定義為在CMTS和調(diào)制解調(diào)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)，丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)目與總的數(shù)據(jù)包數(shù)目之比。電纜網(wǎng)絡(luò)損耗仿真器可產(chǎn)生HFC網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際出現(xiàn)的損耗，包括噪聲、干擾、IMD和微反射，所有這些都可控并可重復(fù)。

通過將這些設(shè)備組合為綜合測試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行各種測試，通過這些測試來了解各種損耗對調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)的影響。

附加的損耗測試方法

最常用的一種損耗測量方法是丟包率與載噪比的測試(見圖3)。該測量方法檢查調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)在噪聲和干擾變化條件下的傳輸性能。各種類型的噪聲和干擾，包括寬帶噪聲、窄帶噪聲或調(diào)制干擾，均可用來模擬HFC網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的各種情況。

寬帶噪聲能很好地反映HFC網(wǎng)絡(luò)中的背景噪聲，這種背景噪聲電平一般保持不變。窄帶噪聲和調(diào)制干擾能很好地模擬瞬態(tài)入口干擾的各種情況，在給定的頻率下可以采用多種不同的電平。

圖3描述了CNR與丟包率的測試。在該例中詳細(xì)描述了調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)的上行傳輸性能。通過設(shè)置損耗仿真器使下行信道在調(diào)制解調(diào)器接收端的信號電平為0dBmV，而上行信道衰減設(shè)定為30dB。

在測試的每一步，數(shù)據(jù)包在90秒時(shí)間內(nèi)由調(diào)制解調(diào)器發(fā)送至CMTS，并由數(shù)據(jù)發(fā)生器/分析器測量丟包率。電纜網(wǎng)絡(luò)損耗仿真器中的上行CNR變化范圍從 25dB到10dB，步長為0.5dB，這樣不僅可以模擬高傳輸質(zhì)量的HFC網(wǎng)絡(luò)，還可以模擬低傳輸質(zhì)量的HFC網(wǎng)絡(luò)。3個(gè)DOCSIS 1.0調(diào)制解調(diào)器分別用DOCSIS 1.0 CMTS進(jìn)行測試。為了方便比較，將3個(gè)調(diào)制解調(diào)器的測試結(jié)果都顯示在圖3中。

根據(jù)圖3給出的結(jié)果，顯然在調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)中提高幾個(gè)dB的抗擾度相當(dāng)重要，或許這幾個(gè)dB正是某些網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸而有些網(wǎng)絡(luò)常出現(xiàn)通信失敗的原因。

測試IMD

評估調(diào)制解調(diào)器性能的另一種測試是IMD與丟包率的測試(見圖4)，該測試檢查不同IMD條件下的系統(tǒng)性能，其中IMD以低于載波信號的電平形式表示。

上面測試的相同調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)的下行性能還可以用IMD與丟包率的測試進(jìn)行評估。通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)衰減仿真器在下行通道的調(diào)制解調(diào)器端口產(chǎn)生0dBmV的信號，而上行信號衰減設(shè)置為30dB。

在每個(gè)測試步驟中，數(shù)據(jù)包從CMTS發(fā)送到調(diào)制解調(diào)器，持續(xù)時(shí)間為90秒，并由數(shù)據(jù)發(fā)生器/分析器測量丟包率。電纜網(wǎng)絡(luò)損耗仿真器下行IMD比率的變化范圍從-50至-30dBc，步長為1dBc，由此模擬HFC網(wǎng)絡(luò)上的各種典型IMD狀態(tài)。

圖4 顯示了IMD與丟包率的測試結(jié)果，其中y軸表示丟包率百分比，x軸表示載波IMD比率。如圖所示，線纜網(wǎng)絡(luò)中IMD使調(diào)制解調(diào)器的性能具有很大的不一致性。由于在設(shè)計(jì)特定運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，選取的放大器數(shù)目不同，因此導(dǎo)致存在不同的IMD。開發(fā)出在更高IMD電平條件下數(shù)據(jù)能可靠傳輸?shù)恼{(diào)制解調(diào)器可降低運(yùn)營商的維護(hù)負(fù)擔(dān)。

解決微反射問題

調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)的上行傳輸性能可用微反射與調(diào)制誤碼率(MER)的測試來表征，MER是信號星座上總的測量值。數(shù)據(jù)發(fā)生器/分析器將數(shù)據(jù)包從調(diào)制解調(diào)器發(fā)送至CMTS。這種測試方法不再將數(shù)據(jù)包的丟失數(shù)目作為性能量度，而是測量上行傳輸脈沖串的MER。

在前述的DOCSIS PHY-20測試中，測試了不帶微反射和7種不同微反射配置的基本情況。每種測試條件具有單個(gè)不帶延時(shí)和衰減的路徑，還有1至3條帶延時(shí)和衰減的路徑。

在這一系列測試中，調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)允許在實(shí)現(xiàn)了測試條件的60秒后，通過預(yù)均衡算法調(diào)節(jié)預(yù)均衡系數(shù)。PHY-20規(guī)定了7種測試條件下的每個(gè)測量結(jié)果，并與27dB MER的合格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

每條反射路徑的延時(shí)和損耗值均可修正，由此增加或減小微反射的模擬配置。一般而言，較小的損耗和延時(shí)設(shè)定將使性能進(jìn)一步降低。

表征數(shù)據(jù)包丟失

丟包特性的測試可用來衡量調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)的上行和下行通道性能。當(dāng)執(zhí)行該測試時(shí)，測試條件規(guī)定為一種損耗，如寬帶噪聲、窄帶噪聲、調(diào)制干擾或IMD。CNR 與丟包率的測試中，需要將損耗從一個(gè)固定的初始值變化到另一個(gè)固定的終止值，這里的丟包特性測試是為了找到產(chǎn)生預(yù)定義的合格/不合格的臨界損耗值水平。

在丟包特性測試中，損耗條件等級將持續(xù)增加，直到丟失的數(shù)據(jù)包超過了合格標(biāo)準(zhǔn)，將這個(gè)損耗值略微降低即得到要求的值。該測試的目標(biāo)丟包率通常為1%。

本文給出了在一般的HFC網(wǎng)絡(luò)損耗條件下調(diào)制解調(diào)器性能的測試結(jié)果，根據(jù)分析這些結(jié)果可以作出一些結(jié)論。其中最重要一點(diǎn)是并非所有的調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)的性能一樣。盡管調(diào)制解調(diào)器或CMTS可能通過了DOCSIS驗(yàn)證，但現(xiàn)實(shí)中這些設(shè)備的性能仍然可能有很大變化。這一點(diǎn)也強(qiáng)調(diào)了性能測試對設(shè)備運(yùn)營商和生產(chǎn)商都非常重要。

許多開發(fā)商正致力于開發(fā)調(diào)制解調(diào)器，期望充分利用用戶對高速接入通信網(wǎng)絡(luò)的需求。由于在該領(lǐng)域中諸多開發(fā)商競爭激烈，開發(fā)商在實(shí)際的HFC網(wǎng)絡(luò)條件下提高產(chǎn)品性能就顯得尤為重要。通過制訂出綜合了本文所描述的測試方法的測試計(jì)劃，開發(fā)商可以設(shè)計(jì)出性能更佳的調(diào)制解調(diào)器，為用戶提供可靠的高速接入功能。而如果等到調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)完成后到現(xiàn)場進(jìn)行性能測試，再根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)，必將導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)間延誤，增加設(shè)計(jì)成本。