通过损耗测试实现高性能调制解调器的设计 调制解调器, 设计工程师, 运行环境, 相关性, 优先级

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线缆调制解调器设计中语音、视频和数据之间的相关性日益增强，为了实现三者之间的并行传输，设计工程师必须开发出解决网络传输损耗的测试方法。为了迎接这个新挑战，设计工程师正努力开发调制解调器以及利用电缆数据传输业务接口规范DOCSIS 1.1的前端设备。DOCSIS 1.1标准的优点在于可提供一整套的QoS技术对调制解调器系统设计中的语音、视频和数据业务进行优先级分配。
但仅仅只满足DOCSIS 1.1标准是不够的，调制解调器网络设备的损耗有可能影响到网络上的语音、视频和数据的传输。为解决这个问题，设计工程师必须尽可能按实际运行环境进行设计。
解决这个问题的关键在于正确的测试。通过用强大的测试方案，设计工程师可有效地仿真噪声和干扰对调制解调器系统及设备产生的影响。这样，设计工程师可以在系统设计的早期设法消除或减小这些影响。
HFC网络
目前多数服务运营商已经对电缆网络传输设备进行了升级，这些网络能支持高速双向数据、语音和视频传输。目前已升级的双向电缆网络可在光纤和同轴电缆的混合线缆上传输广播电视、高速数据以及语音业务。
光纤用来传输调制解调器终端系统(CMTS)的数据包。光纤将信息从终端系统传输到本地的光接点，而从光节点到目的地之间剩余距离由同轴电缆传输。由于同时使用了光纤和同轴电缆，通常称这类网络为光纤－同轴(HFC)混合线缆网络。
光纤主要用来传输前端和用户之间的数据。光纤需要的放大器数目少于同轴电缆，而且光放大器具有比同轴电缆放大器更好的噪声和失真特性。
调制解调器系统必须排除多种损耗情况，其中最主要的两种是噪声和干扰。各种来源的噪声和干扰将对HFC网络上的数据包传输产生失真。包括一般家用电器在内的许多设备，如垃圾处理机和搅拌机都将发射位于上行频带(美国规定为5MHz至42MHz)的信号。
这些信号通过屏蔽较差的电缆或者通信设备进入网络，因而一般称为入口干扰。入口干扰通常具有脉冲特性和窄带特点，这是因为这类干扰信号一般是在很小的频率范围，在瞬间具有很高的功率电平。
除了入口干扰，HFC网络上的其它传输流，如来自其它调制解调器用户的信号和电视信号也能干扰数据包的传输。这些信号可能同时出现在下行和上行信道，并且干扰信号具有与数据信号相同的频率(这种干扰称为同频道干扰)或相近的频率(这种干扰称为邻频干扰)。
入 口干扰与其它干扰信号相结合能降低信道的载噪比(CNR)，随着前向纠错(FEC)技术在传输差错处理中的作用日益突出，较低的CNR同时也降低了数据的 传输效率。在一定程度上信号损耗是不可避免的，无论HFC网络设计得如何完备，总会出现一定的入口干扰和其它干扰信号，并影响调制解调器系统的性能。
某 些设备生产商在CMTS中还采用了专有技术，通过将入口干扰的影响降至最低来获得最佳性能。一个实例是CMTS在信道中采用入口干扰信号检测并改变上行信 道的功能。设备生产商和业务提供商在考虑干扰问题时都应考虑这类先进功能。新开发的DOCSIS 1.1测试工具提供了用于测量调制解调器系统性能的各类噪声、入口干扰和干扰信号源。DOCSIS RF-PHY-22上行数据误包率测试工具详细描述了帧丢失特性测试，这种测试得到生成目标数据包丢失值的载波信号损耗比。PHY-22规定了在模拟 HFC网络的典型情况下出现的各种噪声和干扰类型，包括背景噪声、QAM16和QPSK(DOCSIS上行调制技术)噪声、连续波(CW)干扰及AM信 号。
信号失真
放大器可用来补偿信号通过HFC网络传输时产生的一种称为互调失真(IMD)的损耗。图1显示了调制解调器无损耗信号的星座图。星座图在二维空间上显示了信号的幅度和相位分量，这里每个点表示多位数据。
图2的星座图表示了IMD存在时的信号压缩，IMD引发的调制解调器失真信号的星座图显示了被压缩的外部星座点。
这些点的压缩(这里传输功率达到最大值)将导致调制解调器将一个星座点错译为另一个星座点。因此在HFC网络传输中，随着星座点表示的信息发生变化，调制解调器出现的误码率也将不断增大。
每个放大器还有一个双工滤波器，在放大器之前和之后滤除带外信号。当多个放大器用在电缆网络时，双工滤波器的群延时与幅度失真响应产生总的群延时和幅度失真。这种情况主要出现在上行传输方向，在上行方向的低通滤波器的最高频率为42MHz。
多 个滤波器的组合响应将使滤波器通频带边缘附近的群延时和幅度失真增加。数据在线缆中传输时，上行信道中出现的严重群延时和幅度失真特性将导致误码率显著增 加。HFC网络结构可包含的放大器数量在5个到20个之间，这意味着调制解调器系统必须设计成能够在较大群延时和幅度失真环境下工作。
微反射
同轴电缆设备，如放大器、耦合器和同轴电缆之间出现的阻抗失配将产生另一种称为微反射的干扰。当出现微反射时，反射信号经过延时和损耗到达接收端。多个反射信号将在接收端产生码间干扰(ISI)，ISI可能导致接收器检测到错误的输入信号幅度和相位。
DOCSIS 1.1调制解调器系统的设计中还加入了抵消这种反射的预均衡功能。CMTS通过在HFC网络出现的微反射来确定预均衡系数，然后将该系数发送到调制解调器，该调制解调器将在以后的传输中采用这个系数来调整信号传输。
CMTS 和调制解调器必须正确地进行预均衡处理，正确的均衡处理可以保证微反射条件下数据包的可靠传输。DOCSIS RF-PHY-20预均衡器测试可提供7种不同的微反射测试情况，通过这些情况的测试能对调制解调器/CMTS的性能进行分析。模拟不同的微反射情况对于 系统设计工程师理解调制解调器系统在各种条件下的性能至关重要。
测试系统的要求
深入了解调制解调器网络的关键信号损耗非常重要，在进行调制解调器设计时要充分考虑这些损耗因素。为实现这个目的，设计工程师必须在系统开发过程中采用正确的测试系统来仿真噪声、干扰、微反射及其它损耗。
典 型的物理层(PHY)调制解调器测试系统包括两个主要部分：数据包发生器/分析器和HFC网络损耗仿真器。数据发生器/分析器在调制解调器和CMTS之间 进行数据传输或处理，并采用丢包率和延时时间来评估系统的性能。丢包率定义为在CMTS和调制解调器之间进行数据包传输时，丢失的数据包数目与总的数据包 数目之比。电缆网络损耗仿真器可产生HFC网络中实际出现的损耗，包括噪声、干扰、IMD和微反射，所有这些都可控并可重复。
通过将这些设备组合为综合测试系统，设计工程师进行各种测试，通过这些测试来了解各种损耗对调制解调器设计的影响。
附加的损耗测试方法
最常用的一种损耗测量方法是丢包率与载噪比的测试(见图3)。该测量方法检查调制解调器系统在噪声和干扰变化条件下的传输性能。各种类型的噪声和干扰，包括宽带噪声、窄带噪声或调制干扰，均可用来模拟HFC网络出现的各种情况。
宽带噪声能很好地反映HFC网络中的背景噪声，这种背景噪声电平一般保持不变。窄带噪声和调制干扰能很好地模拟瞬态入口干扰的各种情况，在给定的频率下可以采用多种不同的电平。
图3描述了CNR与丢包率的测试。在该例中详细描述了调制解调器系统的上行传输性能。通过设置损耗仿真器使下行信道在调制解调器接收端的信号电平为0dBmV，而上行信道衰减设定为30dB。
在 测试的每一步，数据包在90秒时间内由调制解调器发送至CMTS，并由数据发生器/分析器测量丢包率。电缆网络损耗仿真器中的上行CNR变化范围从 25dB到10dB，步长为0.5dB，这样不仅可以模拟高传输质量的HFC网络，还可以模拟低传输质量的HFC网络。3个DOCSIS 1.0调制解调器分别用DOCSIS 1.0 CMTS进行测试。为了方便比较，将3个调制解调器的测试结果都显示在图3中。
根据图3给出的结果，显然在调制解调器设计中提高几个dB的抗扰度相当重要，或许这几个dB正是某些网络能实现无差错传输而有些网络常出现通信失败的原因。
测试IMD
评估调制解调器性能的另一种测试是IMD与丢包率的测试(见图4)，该测试检查不同IMD条件下的系统性能，其中IMD以低于载波信号的电平形式表示。
上面测试的相同调制解调器系统的下行性能还可以用IMD与丢包率的测试进行评估。通过设置网络衰减仿真器在下行通道的调制解调器端口产生0dBmV的信号，而上行信号衰减设置为30dB。
在每个测试步骤中，数据包从CMTS发送到调制解调器，持续时间为90秒，并由数据发生器/分析器测量丢包率。电缆网络损耗仿真器下行IMD比率的变化范围从-50至-30dBc，步长为1dBc，由此模拟HFC网络上的各种典型IMD状态。
图4 显示了IMD与丢包率的测试结果，其中y轴表示丢包率百分比，x轴表示载波IMD比率。如图所示，线缆网络中IMD使调制解调器的性能具有很大的不一致 性。由于在设计特定运营商的网络时，选取的放大器数目不同，因此导致存在不同的IMD。开发出在更高IMD电平条件下数据能可靠传输的调制解调器可降低运 营商的维护负担。
解决微反射问题
调制解调器系统的上行传输性能可用微反射与调制误码率(MER)的测试来表征，MER是信号星座上总的测量值。数据发生器/分析器将数据包从调制解调器发送至CMTS。这种测试方法不再将数据包的丢失数目作为性能量度，而是测量上行传输脉冲串的MER。
在前述的DOCSIS PHY-20测试中，测试了不带微反射和7种不同微反射配置的基本情况。每种测试条件具有单个不带延时和衰减的路径，还有1至3条带延时和衰减的路径。
在这一系列测试中，调制解调器系统允许在实现了测试条件的60秒后，通过预均衡算法调节预均衡系数。PHY-20规定了7种测试条件下的每个测量结果，并与27dB MER的合格标准进行比较。
每条反射路径的延时和损耗值均可修正，由此增加或减小微反射的模拟配置。一般而言，较小的损耗和延时设定将使性能进一步降低。
表征数据包丢失
丢 包特性的测试可用来衡量调制解调器系统的上行和下行通道性能。当执行该测试时，测试条件规定为一种损耗，如宽带噪声、窄带噪声、调制干扰或IMD。CNR 与丢包率的测试中，需要将损耗从一个固定的初始值变化到另一个固定的终止值，这里的丢包特性测试是为了找到产生预定义的合格/不合格的临界损耗值水平。
在丢包特性测试中，损耗条件等级将持续增加，直到丢失的数据包超过了合格标准，将这个损耗值略微降低即得到要求的值。该测试的目标丢包率通常为1%。
本 文给出了在一般的HFC网络损耗条件下调制解调器性能的测试结果，根据分析这些结果可以作出一些结论。其中最重要一点是并非所有的调制解调器系统的性能一 样。尽管调制解调器或CMTS可能通过了DOCSIS验证，但现实中这些设备的性能仍然可能有很大变化。这一点也强调了性能测试对设备运营商和生产商都非 常重要。
许多开发商正致力于开发调制解调器，期望充分利用用户对高速接入通信网络的需求。由于在该领域中诸多开发商竞争激 烈，开发商在实际的HFC网络条件下提高产品性能就显得尤为重要。通过制订出综合了本文所描述的测试方法的测试计划，开发商可以设计出性能更佳的调制解调 器，为用户提供可靠的高速接入功能。而如果等到调制解调器设计完成后到现场进行性能测试，再根据测试结果进行反复设计，必将导致设计时间延误，增加设计成 本