如何通过提高效率来提高CATV放大器的下行带宽和上行容量

DOCSIS 3.1 的出现让 CATV 提供商能够增加上下行容量。新一代 DOCSIS 4.0 产品目前正处于设计阶段。使用正确的 CATV 放大器可显著提高解决方案的效率。

未来的娱乐系统和居家办公环境正在迅速向更多双向互动的模式发展，这要求提高下行带宽和上行容量。为了在不断发展的有线电视业务 (CATV) 中保持竞争优势，需要采用创新技术来满足用户需求。基于氮化镓 (GaN) 技术的 CATV 放大器在这一发展过程中发挥着重要作用。本博文就如何做到这一点提供了一些见解。以下内容摘自 Qorvo 白皮书“如何通过提高效率来提高 CATV 放大器的下行带宽和上行容量”。

满足更高的上行带宽需求

在美国，混合光纤同轴 (HFC) 网络上行流量的典型频率分配范围为 5 MHz 至 42 MHz。用户活动和新的用例推动对容量的需求不断增加。为此，一些多系统运营商 (MSO) 在可用带宽内设置中分或高分，通过减少下行带宽并可能缩减内容或服务，从而满足这类需求。

图 1.面向上行 (US) 和下行 (DS) 的 DOCSIS 4.0 FDX 频谱。

为了应对这项挑战，MSO 开始探索 DOCSIS 3.1 或 DOCSIS 4.0 规范提供的方案。DOCSIS 3.1 中的上行容量可扩展至高达 204 MHz，而 DOCSIS 4.0 支持在全双工 (FDX) 和扩展频谱 DOCSIS (ESD) 中将上行容量提高至高达 684 MHz。图 1 显示了全双工 (FDX) 如何使上行和下行流量共享 684 MHz 频率范围。

深入了解

下载白皮书 https://www.qorvo.com/feature/catv-amplifier-bandwidth-upstream-downstream-capability-efficiencies-white-paper

保持线性度

随着网络升级，有线电视带宽也不断扩展，这一趋势促使工程师和系统架构师探索新的技术，同时需要新一代的无源和有源产品。为了满足不断增加的带宽和数据速率需求，CATV 放大器必须保持更高的线性输出功率。

氮化镓 (GaN) 器件可以提供超过必需的效率和性能，能够满足 DOCSIS 对 CATV 放大器的要求。在 HFC 网络中，要实现可靠的数据传输和信号完整性，一致的线性度是首要要求。有源功率器件的非线性行为会降低信号质量，从而导致数字信道出现误码，而且有时在尝试解调信号时会彻底失败。

增益单元或放大器的线性度主要取决于以下因素：

半导体技术

电路设计

功耗

散热设计

在设计 HFC 放大器时，保持较高的线性度和效率至关重要，而在这个方面，基于 GaN 的组件具有明显的优势。图 2 所示为 CATV 放大器的基本组件。在线性输出方面，HFC 放大器或节点的下行性能在很大程度上依赖于输出级增益单元(亦称“功率倍频器”)。

图 2.CATV 放大器框图。

GaN 代表功率放大器设计的一项支持技术，能够满足 DOCSIS 3.1 和 DOCSIS 4.0 标准的要求。图 3 展示了最初使用 GaAs 场效应晶体管 (FET) 实现增益单元架构的设计阶段。使用基于 GaN 的元件代替 FET3 和 FET4 可显著提高性能，因为这些器件具有高频运行、高电压耐用性、高电流密度和功率处理等特性。与 GaAs 的 1 W/mm 相比，GaN 最高支持 10 W/mm。

图 3.通过使用基于 GaN 的 FET 改进增益单元架构。

图 4 通过比较有线电视增益单元架构所用材料技术的相对特性，展示了 GaN 技术的优势，这项技术既使 MSO 能够保持现有的放大器间距，同时又可提高线性输出。这可很大程度地降低升级成本，并实现光纤深度解决方案，在减少或消除放大器的同时，将光纤置于离客户更近的地方，以提供更优质的服务。

图 4.与其他方案相比，基于 GaN 的元件特性。

什么是 DOCSIS?

有线电缆数据服务接口规范 (DOCSIS) 是一种国际电信标准，它允许将高带宽数据传输整合到现有有线电视 (CATV) 系统中。很多有线电视运营商使用这种标准来通过现有的混合光纤同轴 (HFC) 基础设施提供互联网接入。版本号有时只采用“D”为前缀，而不是“DOCSIS”(例如：D3 即为 DOCSIS 3)。

Qorvo 在有线电视增益单元领域的专业知识

Qorvo 公司有两款产品都是该领域不错的设计之选：

QPA3260 功率倍增器混合器件 – 可提供高达 1.2 Ghz 的高线性输出

QPA3315 功率倍增器混合器件 – 可在需要高达 1.8 GHz 容量的设计中支持 DOCSIS 4.0 实现

QPA3260

https://www.qorvo.com/products/p/QPA3260

QPA3315

https://www.qorvo.com/products/p/QPA3315

DOCSIS 3.1 和 DOCSIS4.0 标准对下行带宽和上行容量提出了更高的要求，而 Qorvo 可帮助 MSO 利用基于 GaN 的有线电视信号放大增益单元来应对这项挑战。有线电视设备制造商可依靠经过验证的解决方案，这些解决方案使用可靠耐用的元件实现更好的数据传输。

关于作者

Rainer Hillermeier

Qorvo 德国分部设计和运营总经理

Rainer 负责管理 Qorvo 位于德国纽伦堡的设计和制造基地。凭借在大功率有线电视增益单元方面 20 多年的设计经验，Rainer 领导开发和推出了第一个 1 GHz、1.2 GHz 和当前的 1.8 GHz 增益单元。他还率先在混合光纤同轴基础设施产品中采用了 GaN 半导体技术。

原文标题：提高带宽，打造适应未来发展的 CATV 解决方案

文章出处：【微信公众号：Qorvo半导体】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
审核编辑：汤梓红