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線纜調制解調器設計中語音、視頻和數據之間的相關性日益增強，為了實現三者之間的并行傳輸，設計工程師必須開發出解決網絡傳輸損耗的測試方法。為了迎接這個新挑戰，設計工程師正努力開發調制解調器以及利用電纜數據傳輸業務接口規范DOCSIS 1.1的前端設備。DOCSIS 1.1標準的優點在于可提供一整套的QoS技術對調制解調器系統設計中的語音、視頻和數據業務進行優先級分配。 但僅僅只滿足DOCSIS 1.1標準是不夠的，調制解調器網絡設備的損耗有可能影響到網絡上的語音、視頻和數據的傳輸。為解決這個問題，設計工程師必須盡可能按實際運行環境進行設計。 解決這個問題的關鍵在于正確的測試。通過用強大的測試方案，設計工程師可有效地仿真噪聲和干擾對調制解調器系統及設備產生的影響。這樣，設計工程師可以在系統設計的早期設法消除或減小這些影響。 HFC網絡 目前多數服務運營商已經對電纜網絡傳輸設備進行了升級，這些網絡能支持高速雙向數據、語音和視頻傳輸。目前已升級的雙向電纜網絡可在光纖和 同軸電纜的混合線纜上傳輸廣播電視、高速數據以及語音業務。 光纖用來傳輸調制解調器終端系統(CMTS)的數據包。光纖將信息從終端系統傳輸到本地的光接點，而從光節點到目的地之間剩余距離由同軸電纜傳輸。由于同時使用了光纖和同軸電纜，通常稱這類網絡為光纖－同軸(HFC)混合線纜網絡。 光纖主要用來傳輸前端和用戶之間的數據。光纖需要的放大器數目少于同軸電纜，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。 調制解調器系統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網絡上的數據包傳輸產生失真。包括一般家用電器在內的許多設備，如垃圾處理機和攪拌機都將發射位于上行頻帶(美國規定為5MHz至42MHz)的信號。 這些信號通過屏蔽較差的電纜或者通信設備進入網絡，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，這是因為這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網絡上的其它傳輸流，如來自其它調制解調器用戶的信號和電視信號也能干擾數據包的傳輸。這些信號可能同時出現在下行和上行信道，并且干擾信號具有與數據信號相同的頻率(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合能降低信道的載噪比(CNR)，隨著前向糾錯(FEC)技術在傳輸差錯處理中的作用日益突出，較低的CNR同時也降低了數據的 傳輸效率。在一定程度上信號損耗是不可避免的，無論HFC網絡設計得如何完備，總會出現一定的入口干擾和其它干擾信號，并影響調制解調器系統的性能。 某 些設備生產商在CMTS中還采用了專有技術，通過將入口干擾的影響降至最低來獲得最佳性能。一個實例是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。設備生產商和業務提供商在考慮干擾問題時都應考慮這類先進功能。新開發的DOCSIS 1.1測試工具提供了用于測量調制解調器系統性能的各類噪聲、入口干擾和干擾信號源。DOCSIS RF-PHY-22上行數據誤包率測試工具詳細描述了幀丟失特性測試，這種測試得到生成目標數據包丟失值的載波信號損耗比。PHY-22規定了在模擬 HFC網絡的典型情況下出現的各種噪聲和干擾類型，包括背景噪聲、QAM16和QPSK(DOCSIS上行調制技術)噪聲、連續波(CW)干擾及AM信 號。 信號失真 放大器可用來補償信號通過HFC網絡傳輸時產生的一種稱為互調失真(IMD)的損耗。圖1顯示了調制解調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，這里每個點表示多位數據。 圖2的星座圖表示了IMD存在時的信號壓縮，IMD引發的調制解調器失真信號的星座圖顯示了被壓縮的外部星座點。 這些點的壓縮(這里傳輸功率達到最大值)將導致調制解調器將一個星座點錯譯為另一個星座點。因此在HFC網絡傳輸中，隨著星座點表示的信息發生變化，調制解調器出現的誤碼率也將不斷增大。 每個放大器還有一個雙工濾波器，在放大器之前和之后濾除帶外信號。當多個放大器用在電纜網絡時，雙工濾波器的群延時與幅度失真響應產生總的群延時和幅度失真。這種情況主要出現在上行傳輸方向，在上行方向的低通濾波器的最高頻率為42MHz。 多個濾波器的組合響應將使濾波器通頻帶邊緣附近的群延時和幅度失真增加。數據在線纜中傳輸時，上行信道中出現的嚴重群延時和幅度失真特性將導致誤碼率顯著增 加。HFC網絡結構可包含的放大器數量在5個到20個之間，這意味著調制解調器系統必須設計成能夠在較大群延時和幅度失真環境下工作。 微反射 同軸電纜設備，如放大器、耦合器和同軸電纜之間出現的阻抗失配將產生另一種稱為微反射的干擾。當出現微反射時，反射信號經過延時和損耗到達接收端。多個反射信號將在接收端產生碼間干擾(ISI)，ISI可能導致接收器檢測到錯誤的輸入信號幅度和相位。 DOCSIS 1.1調制解調器系統的設計中還加入了抵消這種反射的預均衡功能。CMTS通過在HFC網絡出現的微反射來確定預均衡系數，然后將該系數發送到調制解調器，該調制解調器將在以后的傳輸中采用這個系數來調整信號傳輸。 CMTS 和調制解調器必須正確地進行預均衡處理，正確的均衡處理可以保證微反射條件下數據包的可靠傳輸。DOCSIS RF-PHY-20預均衡器測試可提供7種不同的微反射測試情況，通過這些情況的測試能對調制解調器/CMTS的性能進行分析。模擬不同的微反射情況對于 系統設計工程師理解調制解調器系統在各種條件下的性能至關重要。 測試系統的要求 深入了解調制解調器網絡的關鍵信號損耗非常重要，在進行調制解調器設計時要充分考慮這些損耗因素。為實現這個目的，設計工程師必須在系統開發過程中采用正確的測試系統來仿真噪聲、干擾、微反射及其它損耗。 典 型的物理層(PHY)調制解調器測試系統包括兩個主要部分：數據包發生器/分析器和HFC網絡損耗仿真器。數據發生器/分析器在調制解調器和CMTS之間 進行數據傳輸或處理，并采用丟包率和延時時間來評估系統的性能。丟包率定義為在CMTS和調制解調器之間進行數據包傳輸時，丟失的數據包數目與總的數據包 數目之比。電纜網絡損耗仿真器可產生HFC網絡中實際出現的損耗，包括噪聲、干擾、IMD和微反射，所有這些都可控并可重復。 通過將這些設備組合為綜合測試系統，設計工程師進行各種測試，通過這些測試來了解各種損耗對調制解調器設計的影響。 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)。該測量方法檢查調制解調器系統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、窄帶噪聲或調制干擾，均可用來模擬HFC網絡出現的各種情況。 寬帶噪聲能很好地反映HFC網絡中的背景噪聲，這種背景噪聲電平一般保持不變。窄帶噪聲和調制干擾能很好地模擬瞬態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。在該例中詳細描述了調制解調器系統的上行傳輸性能。通過設置損耗仿真器使下行信道在調制解調器接收端的信號電平為0dBmV，而上行信道衰減設定為30dB。 在測試的每一步，數據包在90秒時間內由調制解調器發送至CMTS，并由數據發生器/分析器測量丟包率。電纜網絡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量的HFC網絡，還可以模擬低傳輸質量的HFC網絡。3個DOCSIS 1.0調制解調器分別用DOCSIS 1.0 CMTS進行測試。為了方便比較，將3個調制解調器的測試結果都顯示在圖3中。 根據圖3給出的結果，顯然在調制解調器設計中提高幾個dB的抗擾度相當重要，或許這幾個dB正是某些網絡能實現無差錯傳輸而有些網絡常出現通信失敗的原因。 測試IMD 評估調制解調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。 上面測試的相同調制解調器系統的下行性能還可以用IMD與丟包率的測試進行評估。通過設置網絡衰減仿真器在下行通道的調制解調器端口產生0dBmV的信號，而上行信號衰減設置為30dB。 在每個測試步驟中，數據包從CMTS發送到調制解調器，持續時間為90秒，并由數據發生器/分析器測量丟包率。電纜網絡損耗仿真器下行IMD比率的變化范圍從-50至-30dBc，步長為1dBc，由此模擬HFC網絡上的各種典型IMD狀態。 圖4 顯示了IMD與丟包率的測試結果，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，線纜網絡中IMD使調制解調器的性能具有很大的不一致 性。由于在設計特定運營商的網絡時，選取的放大器數目不同，因此導致存在不同的IMD。開發出在更高IMD電平條件下數據能可靠傳輸的調制解調器可降低運 營商的維護負擔。 解決微反射問題 調制解調器系統的上行傳輸性能可用微反射與調制誤碼率(MER)的測試來表征，MER是信號星座上總的測量值。數據發生器/分析器將數據包從調制解調器發送至CMTS。這種測試方法不再將數據包的丟失數目作為性能量度，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不帶延時和衰減的路徑，還有1至3條帶延時和衰減的路徑。 在這一系列測試中，調制解調器系統允許在實現了測試條件的60秒后，通過預均衡算法調節預均衡系數。PHY-20規定了7種測試條件下的每個測量結果，并與27dB MER的合格標準進行比較。 每條反射路徑的延時和損耗值均可修正，由此增加或減小微反射的模擬配置。一般而言，較小的損耗和延時設定將使性能進一步降低。 表征數據包丟失 丟包特性的測試可用來衡量調制解調器系統的上行和下行通道性能。當執行該測試時，測試條件規定為一種損耗，如寬帶噪聲、窄帶噪聲、調制干擾或IMD。CNR 與丟包率的測試中，需要將損耗從一個固定的初始值變化到另一個固定的終止值，這里的丟包特性測試是為了找到產生預定義的合格/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增加，直到丟失的數據包超過了合格標準，將這個損耗值略微降低即得到要求的值。該測試的目標丟包率通常為1%。 本文給出了在一般的HFC網絡損耗條件下調制解調器性能的測試結果，根據分析這些結果可以作出一些結論。其中最重要一點是并非所有的調制解調器系統的性能一 樣。盡管調制解調器或CMTS可能通過了DOCSIS驗證，但現實中這些設備的性能仍然可能有很大變化。這一點也強調了性能測試對設備運營商和生產商都非 常重要。 |
