基于可调谐变频芯片的有线宽带接入技术方案_宽带接入号和宽带账号

　　摘要：本文提出一种基于可调谐变频芯片的有线网络宽带接入技术方案，它由具备多信道同时通信能力的局端设备和工作频率可调谐的用户端设备组成，应用到有线电视同轴电缆网络的两侧，从而实现一种全新的有线网络双向宽带数据通信方式。这种技术首次采用的可调谐变频芯片，能充分挖掘有线网络的频谱优势，灵活利用同轴电缆上的闲置频谱，具有信道可扩展、频点可调谐、系统带宽可扩展等优点。本文给出可调谐变频通信的概念，介绍可调谐变频芯片及其系统应用。
　　关键词：可调谐变频；可调谐变频芯片；有线电视网络宽带接入；双向改造；三网融合
　　
　　ABSTRACT：A novel solution for broadband access over cable is presented in this paper, which based on tunable frequency converter RF chip. This solution comprises of two kinds of device: head-end device and user device, the head-end device supports multiple communication channels operating simultaneously and the user device could tune its working frequency to access one of the available channels freely. This technology could be deployed extensively on the cable TV network for high speed broadband access. Comparing with other existing solutions, it could sufficiently utilize the spectrum advantage of cable network much more, and freely select any applicable channel. If necessary, operator could extend applicable channels or communication bandwidth easily. This paper would describe the idea of tunable frequency-shift communication, the tunable frequency-shift RF component and typical deploying scenario in detail.
　　Key words：tunable frequency converter；tunable frequency converter RF-IC；broadband access over cable；bidirectional transformation；triple-network convergence
　　
　　1 引言
　　
　　 光纤同轴混合网（HFC）是我国有线广播电视网络的普遍架构，即骨干网采用光纤传输，接入分配网采用同轴电缆。随着光纤通信技术的发展，光纤骨干网已基本可以满足三网融合以及下一代广播电视网（NGB）建设的需要，但同轴接入网却还是纯粹的单向广播网，无法实现双向宽带通信，这严重阻碍了广电网络的发展，因为许多融合性新业务都必须依赖双向宽带通信网才能实现。
　　 于是，多种同轴电缆宽带接入技术纷纷涌现，比如DOCSIS、 HomeplugAV、 HomeplugBPL、基带EOC、MOCA、降频WIFI以及HPNA等等，见参考文献[1][2][3][4]。这些技术方案中用户端设备通常都工作在一个固定的频点上，扩展性和灵活性比较差，无法充分利用广电同轴电缆的频谱优势。
　　 基于上述现实，四联微电子公司提出一种基于可调谐变频芯片的有线网络宽带接入技术方案。利用这种技术方案，局端设备可同时提供一个或多个通信信道；用户端设备可随时切换到不同的工作频率，与局端设备进行通信。该方案比现有的EOC（Ethernet Over Cable）技术方案[5]具备更好的灵活性、抗干扰性，提供更高的传输能力，充分体现出同轴电缆的频谱优势。本项技术已经获得国家知识产权总局授权的发明专利[6]。
　　 下面将对本技术方案的可调谐变频通信方案、可调谐变频芯片和典型应用三个方面进行详细介绍。
　　
　　2 可调谐变频通信方案
　　
　　 根据国家有线电视频谱标准[7]以及广电总局三网融合技术指导文件[8]中的规划，同轴电缆中5-65MHz和862MHz以上频段可用于双向数据通信。我国有线电视网络目前普遍使用的是750MHz、860MHz或550MHz同轴分配网络。同时，根据参考文献[9]的研究，在对当前国内普遍存在的同轴电缆网络进行部分现场测试后，发现1.2GHz以下频段都可以用于双向宽带数据通信。可见，有线电视同轴电缆中实际蕴藏着大量频谱资源，完全可以用于双向数据通信。如能充分利用这段约400MHz的频谱，将其分为多个频分复用通信信道，将为有线电视网络的宽带接入提供潜力巨大的通信信道。
　　 近年来，市场上涌现出了各种EOC双向改造方案.，虽然它们各有特色，但是都没有充分挖掘出同轴电缆的频谱潜力，信道的扩展性以及工作频率的灵活性都没有体现出来。本文介绍的工作频率可调谐的有线网络宽带接入技术方案，将能很好地弥补这一缺憾。
　　
　　 2.1 工作频率可调谐的有线同轴网络
　　
　　 可调谐变频通信系统，包含由多个通信模块构成的局端设备和许多个工作频率可自由调谐的用户端设备，它们分别处于同轴电缆分配网的两侧：局端侧和用户侧，不论同轴电缆网拓扑结构是星型还是树型，都能适用。每个局端模块既可工作在预先设定的工作频率，也可根据需要切换到不同的频率；这样，由多个通信模块构成的局端设备就可形成多个双向通信信道，各个信道工作在不同的频点，既可自由跳频，但又互不干涉。用户端设备分布在同轴电缆的用户端，数量比较多；每个终端设备的工作频率都可调谐，可根据需要随时切换到局端设备提供的多个通信信道中的任意一个，从而构成可调谐的有线网络双向通信链路。而至于各个用户终端设备应该接入到当前哪个信道上则由系统管理单元（通常为局端设备中的一个模块）根据需要来确定，或者由终端设备根据预先设置的调谐策略确定。
　　 由于上述频率调谐功能是在通信系统的物理层实现的，故在理论上可适用于各种通信协议。
　　 图1是可调谐有线网络示意图。
　　
　　 2.2 可调谐变频通信技术方案
　　 作为可调谐变频通信概念的一个特例，本技术方案采用WIFI协议，利用成熟的WIFI产业链，将标准的2.4GHz射频信号变频到符合同轴电缆特性的频率后在有线电缆网络上传输，再结合工作频率可调谐的功能，最终以最便宜的价格、最简单的方法实现有线电视同轴网络可调谐变频通信方案。
　　 WiFi标准属于美国电气电子工程师协会（IEEE）颁布的802系列标准之一：802.11。它最早于1997年推出，2年后被802.11b取代，接着又继续演进到802.11a、c、d、e等等。2003年802.11g获得批准，它采用正交频分复用（OFDM）调制方式，工作在2.4GHz ISM（Industrial,Scientific,Medical）免费频段，物理层速率高达54Mbps，从而得到了市场的青睐并大量部署。随后，802.11n标准在2009年获得批准，它采用OFDM调制，利用一个40MHz频宽的信道在单入单出的工作模式下物理层即可达到150Mbps的速率，对应到MAC层速率为100Mbps左右。
　　 这里，同轴网可调谐变频通信方案充分利用了成熟的WiFi通信标准、协议和庞大的产业链，从而给有线网络宽带通信提供一个成熟的、可靠的物理层和MAC层，最重要的是可以选用已经大量出货的WIFI芯片。图2是变频通信示意图。
　　 本方案正是采用最新的802.11n标准：OFDM调制、40MHz频宽和时分复用（TDD）半双工模式，将2.4GHz的射频信号变换到800~1200MHz信号，从而在有线电视同轴电缆分配网上传输，实现高速宽带数据通信。图3为可调谐变频通信设备示意图。
　　 随着IEEE802.11系列标准的不断演进，本方案可随之持续发展。据参考文献[10][11]的消息更高速率的802.11ac标准正在制定中，预计将于2012年正式颁布。到那时，本方案将可在80MHz甚至160MHz的频宽上实现1Gbps左右的物理层传输速率。
　　
　　3 可调谐变频芯片
　　
　　 双向宽带可调谐变频芯片是本方案中最关键的射频部件。
　　
　　 3.1 可调谐变频电路
　　 可调谐变频电路主要由两个单向电路和一个本振电路组成，一端为固定频率Ff的中频端口，用于连接802.11n2.4GHz射频端口；另一端为可变频率Ft射频端口，用于连接有线电视同轴电缆网络。由于系统采用时分复用（TDD）双工模式，两个单向电路可共用同一个本振源（LO），分别输入两个混频器中实现上下行通信链路的混频、变频；通过调节本振频率Fo可同时切换上下行通信电路中RF端口的工作频率。本电路既可采用高本振也可采用低本振，若本振频率Fo 高于固定频率Ff，则 Ft = Fo-Ff，反之则 Ft = Ff -Fo。为了获得良好的带外抑制，在保证射频信号线性度的前提下，还可根据需要在中频端口、射频端口和混频后设置相应的带通滤波器，以实现该端口的较好的带通特性。
　　 其功能示意图如图4所示。
　　
　　 3.2 可调谐射频芯片
　　 基于本技术方案，四联微电子公司正在研发实现上述电路的射频集成电路，以提高性能指标，降低局端设备、终端设备的研发调试难度，预计不久将推向市场，为我国有线网络宽带通信建设提供新的选择。
　　 此芯片高集成度、高线性度，采用成熟的CMOS RF 0.18um工艺。特征如下：
　　 ◆ 集成PA和LNA，最少外围器件。
　　 ◆ 低功耗，支持多种功率管理模式。
　　 ◆ RX接收链路支持自动增益控制，且具备高动态范围、良好的线性度和噪声系数。
　　 ◆ TX发射链路带功率检测，并集成可调增益PA。
　　 ◆ 集成VCO/PLL频率综合器 ，支持小数分频
　　 ◆ 集成2个混频器，LO频率可步进调节
　　 利用本射频集成电路芯片，可将2.4GHz频段的射频信号变换到710~1200MHz频段的任意一个通信频道；它包括射频信号接收和发射两个链路的双向频率变换，这里的射频信号采用OFDM调制，遵循802.11n标准协议，信道频宽40MHz。
　　 应用时，此芯片的2.4GHz中频端口（IF端口）与单通道802.11n SOC（System On Chip）芯片的射频端口相连，SOC芯片通过SPI控制接口对本集成电路进行配置管理，变频后的另一侧（简称RF端口）连接有线网络同轴电缆。
　　
　　4 系统应用方案
　　
　　 当前，国内有线电视网络普遍采用光纤+同轴电缆混合的HFC网络架构，随着光纤通信技术的发展，“光进铜退”已成为长期的发展趋势。国内很多广电网络已经计划或正在将光纤推进到小区、楼栋、甚至楼道。由于入户布线的复杂性等综合因素，最后一段同轴电缆必将在相当长一段时间内存在。利用现有同轴网络解决最后300米、100米、甚至50米的高速宽带接入问题已成为广电网络的普遍共识。
　　 2010年国务院发文，促进三网融合发展。同时，国家广电总局的NGB计划，也明确提出广电网络要达到30Mbps、甚至100Mbps的入户数据带宽。如何以最低的投入，利用同轴电缆网达到、甚至超过上述要求呢？
　　基于可调谐变频芯片的有线宽带接入技术方案可以很好的解决这个问题。它主要由位于光节点处的局端设备和位于用户端的终端设备组成。根据具体同轴电缆网频谱使用情况，局端设备可有选择地灵活开通多个适用的宽带接入信道，而用户端设备可根据相应的带宽、业务需要调整工作频率接入到合适的通信信道，从而充分利用同轴电缆中可用的频谱，按需扩展网络带宽，终端自由接入相应信道，给运营商和用户带来全新的宽带体验和业务潜力。
　　
　　 4.1 系统接入带宽
　　 基于本方案的宽带接入系统，完全可以满足NGB建设和未来三网融合的需要。考虑到同轴电缆网的特性和有线电视频率配置，我们在同轴电缆上710-1200MHz频段上划分出12个独立的信道。遵循单信道802.11n传输能力，每个信道频宽40MHz，物理层速率150Mbps，MAC层 速率可达100Mbps；如果按照隔频传输，则在一根同轴电缆上即可以同时使用6个通信信道，相应速率为：
　　 物理层： 6*150Mbps=900Mbps
　　 链路层： 6*100Mbps=600Mbps
　　 而目前国内有线电视网络光节点处的光接收机通常都是配4路同轴电缆输出，最少也有2路；覆盖大约50到200用户不等。应用本技术方案，一个光节点处的宽带接入带宽可达：
　　 物理层：4*900Mbps=3.6Gbps
　　 链路层：4*600Mbps=2.4Gbps
　　 如果未来升级到802.11ac，仅用一根同轴电缆链路层带宽即有望达到4*400Mbps=1.6Gbps，可参考文献[11][12]，则一个普通光节点处局端设备MAC层接入带宽将高达6.4Gbps。此时，即使与光纤入户FTTH相比，有线同轴电缆宽带接入的通信带宽也毫不逊色！
　　 可见，基于可调谐变频芯片的有线网络宽带接入技术方案完全可满足NGB和三网融合的要求。随着光纤到楼（FTTB）的发展，每个光节点下覆盖用户数将会减少到50-100户左右，利用本方案实现户均100Mbps带宽将变成现实。
　　
　　 4.2 应用方案
　　 FTTB光纤到楼是本技术方案最典型的应用场景，即采用G/EPON或10G EPON技术将数据通信信号送到楼栋交接箱，光纤由ONU（Optical Network Unit）和光接收机终结在楼栋，并被分别转换为以太网信号和同轴电缆信号。局端设备透过同轴电缆分配网和用户端的终端接入设备，比如普通用户终端MODEM、家庭网关、双向机顶盒等建立宽带通信链路，实现高速数据通信，如图5所示。
　　 通常光纤到楼FTTB后的同轴电缆分配网基本都是无源分配网，不需要有线电视放大器。但是，在光纤只到小区的情况下，同轴分配网中很可能存在着放大器，如果只有一级放大器，那可通过无源跨接器跨接轻松解决；如果存在着多级放大器，则需要根据信号状况，使用中继设备解决。但随着光进铜退，这种情况将逐渐减少。
　　
　　5 结论
　　
　　 针对现有技术存在的缺陷和问题，本文提出了基于可调谐变频芯片的有线网络宽带接入技术方案，并从可调谐变频通信的方法、可调谐变频芯片技术、系统应用方案等三个方面重点做了介绍。本方案基于自主研发的可调谐变频芯片，是拥有完全自主知识产权的专利技术；它结合成熟的802.11产业链，是面向NGB、可满足三网融合需要的高性能有线网络宽带接入技术。该方案可以充分发挥广电同轴网络的频谱资源优势，灵活利用空闲频谱资源，以最低的成本实现有线网络高速宽带接入。随着可调谐变频芯片的问世、本技术方案的应用推广，必将对我国新一代广电信息网络建设、三网融合新业态的发展，发挥重要作用。
　　
　　参考文献
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　　[2]林如俭，胡斌，周志宇，周书佳，宋英雄；基于MOCA的高频EOC原理与解析；2010ICTC国际传输与覆盖研讨会论文集, 2010 年10月。
　　[3]王英来；基于Homeplug AV技术的EOC在新疆广电双向网改造中的应用；《中国有线电视》2009年第7期。
　　[4]任伶俐，查澜；基于EoC的HFC接入网络双向改造技术及应用；《信息通信技术》2010年第3期。
　　[5]唐明光；有线电视网络双向改造中的EOC技术；《中国有线电视》2009年第10期。
　　[6]中华人民共和国国家知识产权局专利公开号：CN101599822A，工作频率可调谐的有线网络接入系统及方法。
　　[7]中华人民共和国国家标准；GB/T 17786-1999; 有线电视频率配置。
　　[8]广电总局，有线电视网络三网融合试点业务指导和总体技术要求；2010年10月。
　　[9]刘华平，赵玉萍， 李红滨；HINOC信道的测量与数据处理方法研究；高性能同轴电缆接入技术研究与实现论文集；2011年3月。
　　[10]https://en.省略/wiki/IEEE_802.11ac.
　　[11]Park, Min-young; IEEE 802.11ac: Dynamic Bandwidth Channel Access; Communications （ICC）, 2011 IEEE International Conference; Jul-2011.
　　[12]Van Nee, R.; Breaking the Gigabit-per-second barrier with 802.11AC; Wireless Communications, IEEE; Volume: 18, Issue: 2; 2011.
　　
　　作者简介
　　贾治安，重庆四联微电子有限公司 产品经理；中科院电气工程研究所工学硕士学位，长期从事有线宽带通信领域的芯片、技术、产品及市场研究。
　　盛谦，重庆有线电视网络有限公司 规划设计院系统集成科副主任；从事有线电视网络系统集成工作多年。