C-DOCSIS系統中CMC設計與實現

郜 杰， 曹 敏， 張 文

（武漢郵電科學研究院 烽火網絡有限責任公司，湖北 武漢 430074）

隨著信息技術的發展，大數據時代的到來和我國“三網融合”的不斷推進，HFC（Hybird Fiber Coax）網絡作為我國“三網融合”戰略的重要支撐網絡平臺，傳輸性能不斷受到挑戰。傳 統 的 EPON+EOC （Ethernet Passive Optical Network+Ethernet Over Coax）技術已經不能完全滿足用戶對高帶寬高穩定性的要求，我國廣電運營商急需一種可以與電信運營商相競爭的寬帶接入技術補缺寬帶短板，提升網絡承載能力。在此背景下，廣電于2012年制定并發布了《NGB寬帶接入系統 C-DOCSIS技術規范》，由于其高帶寬、多業務承載、基于FTTH（Fiber To The Home）組網、標準成熟度高[1]、成本相對較低等優勢，正越來越受到廣電運營商的青睞。其相關技術值得科研工作者深入研究。

1 C-DOCSIS技術特點及應用環境

1.1 技術特點

C-DOCSIS由DOCSIS發展而來[2]，其技術特點有：①標準成熟度高。②網絡簡單且穩定性好。③高QoS保障與多業務支撐、支持基于服務流的QoS調度策略。④支持IPQAM。⑤完善的后臺軟件管理[4]。

1.2 系統應用環境

C-DOCSIS系統以HFC網絡為基礎運行網絡。主要CDOCSIS設備有位于線路側的頭端CMC （Cable Media Converter）設備和位于用戶側的終端CM（Cable Modem）設備。C-DOCSIS的終端設備連接運營商的同軸分配網絡和用戶設備。典型用戶設備有個人電腦，機頂盒，家庭路由器等。CM負責HFC網絡終端處的信號解調接收。C-DOCSIS頭端設備CMC連接同軸分配網和匯聚網絡，負責匯聚網絡到接入網的數據轉發。其系統應用主要有兩種方式，如圖1所示，第一種上行方向通過PON接入匯聚網絡。第二種上行使用高端交換機來實現與匯聚網絡的通信[2-3]。

2 CMC的硬件設計及關鍵技術

2.1 CMC總體設計

C-DOCSIS頭端CMC設備按照功能可以劃分為上聯PON模塊、數據接口模塊、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混頻板來實現，主要功能為DOCSIS數據信號與廣電網絡電視信號的放大與分配。將電視信號的輸入與DOCSIS數據信號輸入頻分復用后傳輸給用戶終端設備。其余主要功能模塊實現框圖如圖2所示。

其中上聯PON模塊主要實現與匯聚網絡側IP骨干網絡的連接，實現與OLT的通信。數據接口模塊主要實現對數據包的路由，轉發，包分類的功能。射頻接口模塊主要實現DOCSIS業務流排隊，流量整形，發送調度，DOCSISMAC層打包，解析與物理層QAM調制解調[5]。

圖1 C-DOCSIS系統應用場景Fig.1 C-DOCSISsystem application scenarios

圖2 CMC設備功能模塊框圖Fig.2 Structure diagram of CMCEquipment function module

在本設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接口實現在同軸線纜域與光域的無縫轉發。提供一個與BCM3219相連的RGMII接口實現對BCM3218的管理功能。在下行方向上，BCM3218實現隊列管理，速率整形，分組調度，組播復制，DES加密，DOCSIS包頭創建，DOCSISMPEG-2匯聚層，同步插入等功能。在上行方向上，BCM3218實現包重組，DES解密，分片重組，優先級排隊，包頭解析等功能。

上行DOCSIS PHY層的實現使用BCM3141來實現，BCM3141具有兩個上行PHY通道，兩片此芯片可以和BCM3218實現無縫對接。下行方向BCM3218提供QAM調制后的并行接口，使用DAC芯片實現數字模擬轉換并通過射頻接口與射頻分配放大模塊相連。使用BCM56134交換芯片作為數據接口模塊主芯片實現數據模塊側的交換轉發等功能。并使用MIPS結構CPU BCM53003來實現對其的管理。交換芯片與上聯PON模塊通過SGMII接口實現互聯。使用ONU功能芯片來實現上聯PON模塊功能。使用射頻放大器和合路/分路器來實現分配放大模塊的電視信號與數據信號的放大，混頻等功能。

2.2 上下行射頻接口驅動電路設計

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

下行驅動電路主要完成DOCSISMAC下行數據的D/A轉換、放大濾波等功能。其中TAT7469為第一級放大芯片，它主要特點是靈敏度高噪聲小，PE4304為可調數字衰減器。TAT7467為二級放大器，PE42742芯片為射頻開關。下行QAM信號經過D/A轉換、多級放大、低通濾波電路及射頻開關最終得到所需輸出電平的下行信號。上行驅動電路主要完成信號濾波、放大及分配功能。ARA2017為可調放大芯片。

圖3 上下行射頻接口驅動電路框圖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設計中數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動電路以避免相互干擾[6]。

2.3 時鐘設計

本設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時鐘經過鎖相環ADF4360倍頻為163.84 MHz，最后經過SI5330A轉換為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經過ADF4350倍頻為2.3G時鐘輸出給DA轉換芯片使用。在PCB設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量。

2.4 電源設計

CMC設備通過外置220 V直流開關電源來分別提供數據接口模塊，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。數據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PHY芯片、和PON芯片。射頻接口部分根據功能，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；射頻驅動芯片 （包括放大器、衰減器、開關）；鎖相環電路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產生以減小電源紋波系數保證DDR3穩定工作。

電源設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管作為開關來控制上電時序。

3 實驗結果

本項目使用博通公司的芯片實現了C-DOCSIS系統中CMC設備，并使用網絡分析儀，信號分析儀和XIXIA儀表對設備性能進行了測試。在設置CMC設備下行256QAM調制，上行64QAM調制，下行通道捆綁數16，上行通道捆綁數4，室內環境溫度的情況下，使用安捷倫儀表N9020A對CMC設備在標稱帶寬下的輸出電平以及對應頻點的MER（調制誤差率）進行了測量。實驗結果如圖4所示（測量結果進行了線纜插損補償）。儀表設置參數：積分帶寬設為8 MHz，測試MER時，符號率為6.952 MSym/s，滾降系數為0.15。

圖4 CMC設備MER實驗結果Fig.4 MER experimental results of CMCEquipment

MER（調制誤差率）是HFC網絡中反應通信系統性能[8]的重要參數。它不僅包含高斯噪聲，而且包括接收機星座圖上所有其他信道中不可矯正的損傷。在實際應用中對于64QAM MER臨界值為23.5 dB，對于256QAM臨界值為28.5 dB。當MER值小于相應臨界值時星座圖將無法進行鎖定從而無法恢復原始信號。我國廣電網絡一般要求MER值局端輸出在38 dB以上。從實驗結果圖可以看出MER在整個頻段內大于43 dB。使用XIXIA儀表對不同外部衰減情況下的設備吞吐量進行了測量。結果表明在外部衰減（不包括混頻板衰減）23 dB至55 dB，幀長1 024字節情況下，上行吞吐量可達到100 Mbps以上，下行吞吐量可達到在350 Mbps以上。

4 結 論

本文重點介紹了在HFC網絡中得到廣電運營商廣泛關注的C-DOCSIS技術。論述了DOCSIS的技術特點應用場景和頭端CMC設備的硬件設計方法及關鍵技術，最后給出了C-DOCSIS頭端CMC設備MER和吞吐量實驗測試結果。實驗結果達到了廣電網絡的要求并對C-DOCSIS在HFC網絡中的部署和CMC設備的設計有重要的參考價值。

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