郜 杰， 曹 敏， 張 文

（武漢郵電科學(xué)研究院 烽火網(wǎng)絡(luò)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)時代的到來和我國“三網(wǎng)融合”的不斷推進(jìn)，HFC（Hybird Fiber Coax）網(wǎng)絡(luò)作為我國“三網(wǎng)融合”戰(zhàn)略的重要支撐網(wǎng)絡(luò)平臺，傳輸性能不斷受到挑戰(zhàn)。傳 統(tǒng) 的 EPON+EOC （Ethernet Passive Optical Network+Ethernet Over Coax）技術(shù)已經(jīng)不能完全滿足用戶對高帶寬高穩(wěn)定性的要求，我國廣電運(yùn)營商急需一種可以與電信運(yùn)營商相競爭的寬帶接入技術(shù)補(bǔ)缺寬帶短板，提升網(wǎng)絡(luò)承載能力。在此背景下，廣電于2012年制定并發(fā)布了《NGB寬帶接入系統(tǒng) C-DOCSIS技術(shù)規(guī)范》，由于其高帶寬、多業(yè)務(wù)承載、基于FTTH（Fiber To The Home）組網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)成熟度高[1]、成本相對較低等優(yōu)勢，正越來越受到廣電運(yùn)營商的青睞。其相關(guān)技術(shù)值得科研工作者深入研究。

1 C-DOCSIS技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用環(huán)境

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

C-DOCSIS由DOCSIS發(fā)展而來[2]，其技術(shù)特點(diǎn)有：①標(biāo)準(zhǔn)成熟度高。②網(wǎng)絡(luò)簡單且穩(wěn)定性好。③高QoS保障與多業(yè)務(wù)支撐、支持基于服務(wù)流的QoS調(diào)度策略。④支持IPQAM。⑤完善的后臺軟件管理[4]。

1.2 系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境

C-DOCSIS系統(tǒng)以HFC網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)。主要CDOCSIS設(shè)備有位于線路側(cè)的頭端CMC （Cable Media Converter）設(shè)備和位于用戶側(cè)的終端CM（Cable Modem）設(shè)備。C-DOCSIS的終端設(shè)備連接運(yùn)營商的同軸分配網(wǎng)絡(luò)和用戶設(shè)備。典型用戶設(shè)備有個人電腦，機(jī)頂盒，家庭路由器等。CM負(fù)責(zé)HFC網(wǎng)絡(luò)終端處的信號解調(diào)接收。C-DOCSIS頭端設(shè)備CMC連接同軸分配網(wǎng)和匯聚網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)匯聚網(wǎng)絡(luò)到接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。其系統(tǒng)應(yīng)用主要有兩種方式，如圖1所示，第一種上行方向通過PON接入?yún)R聚網(wǎng)絡(luò)。第二種上行使用高端交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)與匯聚網(wǎng)絡(luò)的通信[2-3]。

2 CMC的硬件設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 CMC總體設(shè)計

C-DOCSIS頭端CMC設(shè)備按照功能可以劃分為上聯(lián)PON模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、射頻接口模塊和分配放大模塊。其中分配放大模塊使用單獨(dú)混頻板來實(shí)現(xiàn)，主要功能為DOCSIS數(shù)據(jù)信號與廣電網(wǎng)絡(luò)電視信號的放大與分配。將電視信號的輸入與DOCSIS數(shù)據(jù)信號輸入頻分復(fù)用后傳輸給用戶終端設(shè)備。其余主要功能模塊實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

其中上聯(lián)PON模塊主要實(shí)現(xiàn)與匯聚網(wǎng)絡(luò)側(cè)IP骨干網(wǎng)絡(luò)的連接，實(shí)現(xiàn)與OLT的通信。數(shù)據(jù)接口模塊主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的路由，轉(zhuǎn)發(fā)，包分類的功能。射頻接口模塊主要實(shí)現(xiàn)DOCSIS業(yè)務(wù)流排隊，流量整形，發(fā)送調(diào)度，DOCSISMAC層打包，解析與物理層QAM調(diào)制解調(diào)[5]。

圖1 C-DOCSIS系統(tǒng)應(yīng)用場景Fig.1 C-DOCSISsystem application scenarios

圖2 CMC設(shè)備功能模塊框圖Fig.2 Structure diagram of CMCEquipment function module

在本設(shè)計中使用博通的芯片BCM3218作為射頻接口模塊的主芯片，此芯片具有DOCSIS上行下行MAC層功能和下行PHY層功能。最大支持4路上行信道。提供一個GMII接口實(shí)現(xiàn)在同軸線纜域與光域的無縫轉(zhuǎn)發(fā)。提供一個與BCM3219相連的RGMII接口實(shí)現(xiàn)對BCM3218的管理功能。在下行方向上，BCM3218實(shí)現(xiàn)隊列管理，速率整形，分組調(diào)度，組播復(fù)制，DES加密，DOCSIS包頭創(chuàng)建，DOCSISMPEG-2匯聚層，同步插入等功能。在上行方向上，BCM3218實(shí)現(xiàn)包重組，DES解密，分片重組，優(yōu)先級排隊，包頭解析等功能。

上行DOCSIS PHY層的實(shí)現(xiàn)使用BCM3141來實(shí)現(xiàn)，BCM3141具有兩個上行PHY通道，兩片此芯片可以和BCM3218實(shí)現(xiàn)無縫對接。下行方向BCM3218提供QAM調(diào)制后的并行接口，使用DAC芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換并通過射頻接口與射頻分配放大模塊相連。使用BCM56134交換芯片作為數(shù)據(jù)接口模塊主芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模塊側(cè)的交換轉(zhuǎn)發(fā)等功能。并使用MIPS結(jié)構(gòu)CPU BCM53003來實(shí)現(xiàn)對其的管理。交換芯片與上聯(lián)PON模塊通過SGMII接口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。使用ONU功能芯片來實(shí)現(xiàn)上聯(lián)PON模塊功能。使用射頻放大器和合路/分路器來實(shí)現(xiàn)分配放大模塊的電視信號與數(shù)據(jù)信號的放大，混頻等功能。

2.2 上下行射頻接口驅(qū)動電路設(shè)計

在設(shè)計過程中射頻接口驅(qū)動電路設(shè)計是整個硬件設(shè)計中最關(guān)鍵和重要的部分。本文設(shè)計的射頻部分電路框圖如下圖所示。

下行驅(qū)動電路主要完成DOCSISMAC下行數(shù)據(jù)的D/A轉(zhuǎn)換、放大濾波等功能。其中TAT7469為第一級放大芯片，它主要特點(diǎn)是靈敏度高噪聲小，PE4304為可調(diào)數(shù)字衰減器。TAT7467為二級放大器，PE42742芯片為射頻開關(guān)。下行QAM信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、多級放大、低通濾波電路及射頻開關(guān)最終得到所需輸出電平的下行信號。上行驅(qū)動電路主要完成信號濾波、放大及分配功能。ARA2017為可調(diào)放大芯片。

圖3 上下行射頻接口驅(qū)動電路框圖Fig.3 Structure diagram of uplink and downlink RF interface driver circuit

上下行濾波電路在PCB設(shè)計時需要將濾波電路下方平面層全部挖空，并且電感不得平行放置。從而減少寄生電容和電感間耦合造成的對濾波性能影響。此外在PCB設(shè)計中數(shù)字電路與射頻電路要分開布局，并且使用屏蔽腔等隔離措施隔離上下行驅(qū)動電路以避免相互干擾[6]。

2.3 時鐘設(shè)計

本設(shè)計中時鐘信號既有單端時鐘又有差分時鐘[7]，主要時鐘有：25 MHz單端時鐘、25 MHz差分時鐘、125 MHz單端時鐘、163.84 MHz差分時鐘、2.3 GHz差分時鐘、48 MHz單端時鐘。其中25 MHz單端時鐘用于各芯片主時鐘。25 MHz差分時鐘主要提供交換芯片PLL使用。125 MHz單端時鐘主要用于 GMII、SMII接口參考時鐘。163.84 MHz差分時鐘由TCXO的16.384MHz時鐘經(jīng)過鎖相環(huán)ADF4360倍頻為163.84 MHz，最后經(jīng)過SI5330A轉(zhuǎn)換為3路差分時鐘分別提供給BCM3218和兩片BCM3143。2.3 GHz時鐘由16.384 MHz晶體TCXO經(jīng)過ADF4350倍頻為2.3G時鐘輸出給DA轉(zhuǎn)換芯片使用。在PCB設(shè)計中時鐘信號走線要盡量短且避免靠近電源芯片以免影響時鐘信號質(zhì)量。

2.4 電源設(shè)計

CMC設(shè)備通過外置220 V直流開關(guān)電源來分別提供數(shù)據(jù)接口模塊，射頻接口模塊和分配放大模塊12 V電源。各模塊再將12 V電壓通過DCDC降壓得到各芯片所需電壓。數(shù)據(jù)接口部分電源種類有3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.2 V。主要供電芯片有CPU BCM53003及DDR2、交換芯片、以太網(wǎng)PHY芯片、和PON芯片。射頻接口部分根據(jù)功能，射頻接口電路分為 4塊，分別為 CPU及上下行芯片BCM3219、AD9739及BCM3143；射頻MAC芯片BCM3218和88E1111；射頻驅(qū)動芯片 （包括放大器、衰減器、開關(guān)）；鎖相環(huán)電路ADF4350、ADF4360。 主要電壓有 5 V，3.3 V，2.5 V，1.8 V，1.5 V，1.2 V，0.9 V。BCM3218的DDR3低壓2.5 V和1.5 V使用LDO產(chǎn)生以減小電源紋波系數(shù)保證DDR3穩(wěn)定工作。

電源設(shè)計過程中要特別注意各芯片上電時序要求否則芯片不能正常啟動工作。本設(shè)計中BCM53003上電電壓3.3 V/2.5/1.8 V到1.2 V上電要求在2 ms內(nèi)完成。BCM3219要求3.3 V在2.5 V/1.2 V之前上電而BCM3143要求1.2 V在3.3 V/2.5 V之前上電。本設(shè)計中通過高電壓使能低壓電源芯片的方法和FPGA使能MOS管作為開關(guān)來控制上電時序。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本項(xiàng)目使用博通公司的芯片實(shí)現(xiàn)了C-DOCSIS系統(tǒng)中CMC設(shè)備，并使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，信號分析儀和XIXIA儀表對設(shè)備性能進(jìn)行了測試。在設(shè)置CMC設(shè)備下行256QAM調(diào)制，上行64QAM調(diào)制，下行通道捆綁數(shù)16，上行通道捆綁數(shù)4，室內(nèi)環(huán)境溫度的情況下，使用安捷倫儀表N9020A對CMC設(shè)備在標(biāo)稱帶寬下的輸出電平以及對應(yīng)頻點(diǎn)的MER（調(diào)制誤差率）進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示（測量結(jié)果進(jìn)行了線纜插損補(bǔ)償）。儀表設(shè)置參數(shù)：積分帶寬設(shè)為8 MHz，測試MER時，符號率為6.952 MSym/s，滾降系數(shù)為0.15。

圖4 CMC設(shè)備MER實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 MER experimental results of CMCEquipment

MER（調(diào)制誤差率）是HFC網(wǎng)絡(luò)中反應(yīng)通信系統(tǒng)性能[8]的重要參數(shù)。它不僅包含高斯噪聲，而且包括接收機(jī)星座圖上所有其他信道中不可矯正的損傷。在實(shí)際應(yīng)用中對于64QAM MER臨界值為23.5 dB，對于256QAM臨界值為28.5 dB。當(dāng)MER值小于相應(yīng)臨界值時星座圖將無法進(jìn)行鎖定從而無法恢復(fù)原始信號。我國廣電網(wǎng)絡(luò)一般要求MER值局端輸出在38 dB以上。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可以看出MER在整個頻段內(nèi)大于43 dB。使用XIXIA儀表對不同外部衰減情況下的設(shè)備吞吐量進(jìn)行了測量。結(jié)果表明在外部衰減（不包括混頻板衰減）23 dB至55 dB，幀長1 024字節(jié)情況下，上行吞吐量可達(dá)到100 Mbps以上，下行吞吐量可達(dá)到在350 Mbps以上。

4 結(jié) 論

本文重點(diǎn)介紹了在HFC網(wǎng)絡(luò)中得到廣電運(yùn)營商廣泛關(guān)注的C-DOCSIS技術(shù)。論述了DOCSIS的技術(shù)特點(diǎn)應(yīng)用場景和頭端CMC設(shè)備的硬件設(shè)計方法及關(guān)鍵技術(shù)，最后給出了C-DOCSIS頭端CMC設(shè)備MER和吞吐量實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了廣電網(wǎng)絡(luò)的要求并對C-DOCSIS在HFC網(wǎng)絡(luò)中的部署和CMC設(shè)備的設(shè)計有重要的參考價值。

[1]Data-Over-Cable Service Interface Specifications Radio Frequency Interface Specification SP-RFIv1.1-I09-020830[S].CableLabs，2002.

[2]Angel Martín，Rafael Coomonte，Claudio Feijóo.Which could be the role of Hybrid Fiber Coax in Next Generation Access Networks[C]Proc.CTTE.Berlin， Germany，2011.

[3]Lin Y D，Yin W M，Huang C Y.An investigation into HFC MAC protocols:mechanisms， implementation， and research issues[J].IEEE Communications Surveys and Tutorials，2000，3（3）:2-13.

[4]GY/T266-2012 NGB寬帶接入系統(tǒng)C-DOCSIS技術(shù)規(guī)范[S].2012.

[5]高宗敏.DOCSIS3.0第三代電纜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) [J].有線電視技術(shù)，2011（3）:21-23.GAO Zhong-min.DOCSIS3.0 The third generation of cable data transmission system[J].Cable TV Technology，2011 （3）:21-23.

[6]路德維格.射頻電路設(shè)計理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2002.

[7]劉姝佩，劉迎澍，楊珵.PTP時鐘同步方案研究[J].陜西電力，2013（12）:66-70.LIU Shu-pei，LIU Ying-shu，YANG Cheng.Research on PTP clock synchronization scheme[J].Shaanxi Electric Power，2013（12）:66-70.

[8]施超，梁建峰，燕迎祥，等.電氣設(shè)備合并單元通信單元軟件的設(shè)計[J].陜西電力，2013（8）：41-44.SHI Chao，LIANG Jian-feng，YAN Ying-xiang，et al.Design of software for communication unit in electrical equipment merging unit[J].Shaanxi Electric Power，2013（8）:41-44.