用于网络信号的时分双工放大器的制作方法

专利名称：用于网络信号的时分双工放大器的制作方法
用于网络信号的时分双工放大器 相关申请的交叉引用
本申请要求2006年12月20日递交的美国专利申请No. 11/613,192的优先
权，其公开通过引用纳入于此。
北旦 冃眾
领域
本文公开的方法和装置涉及用于放大在网络上传输的通信信号的信号放大器。
北旦 冃眾
采用同轴电缆布线可形成数字数据网络。 一种类型的网络是广域网 (WAN)。使用电缆布线的WAN的一个示例是根据电缆数据服务接口规范 (DOCSIS)实现的。WAN是单点对多点通信网络。DOCSIS标准为在用于有线 电视网络的布线基础设施上的高速数据分发中涉及的电缆调制解调器定义接 口。有用的数据网络优选允许双向通信，这样网络中的节点可以发送和接收信 息。现有的电缆网络对上行和下行数据使用不同的频带或频分复用(FDM)。下 行数据在电视频道频率上传输，该电视频道频率是特别地为数字数据而非TV (电视)信号分配的。上行数据一般低于55-850MHz的传统电缆频谱的低端地 进行传输。
对于FDM网络，下行路径和上行路径(有时称为返回路径)两者都可能需 要放大器来提升信号以补偿通信信道中因划分信号功率的信号分路器而产生的 损耗以及电缆中的耗散损耗。由于下行和上行信号的工作频率被设计为不同的 频带，因此放大器可能被构造为仅在一个方向放大每个频带。
除了 WAN夕卜，另一类型的架构是局域网(LAN)。 LAN是全网状的点到点 网络。相应地，由于LAN中的^节点都能够与^其他节点通信，因ltkffl过 分配不同的频率来分离在不同方向上传播的信号的EDM概念不起作用。相应 地，通常j顿时分双工(TDD)接入方案。TDD是单一 (每次一个方向)的通信技术。在4顿TOD的网络中，所有网络节点传输都j顿相同的频率，仓犍共 享的信道。对信道的共享使用进行调度(有时称为仲裁)以避免可能引起干扰
(通常称为冲突)并由此导致翻丢失的同时传输。常规的FDM电缆网络中使
用的频率选择性放大器只能够在一个方向进行放大，该方向是基于将被放大的
信号的频率皿择的。相应地，这些放大器不能用于放大双向地横穿网络的TOD 信号。因此，需要能提供对LAN中的TDD信号进行放大的方法和装置。
概要
时分双工(TDD)放大器取决于网络中信号流的方向来切换放大方向以按 需在两个方向上放大信号。可以通过监视网络媒体接入计划(MAP)的传输来 控制TDD放大器切换，媒体接入计划是网络控制器(NC)发送的媒体接入控 制(MAC)消息。MAP被用于协调所有传输并且包含对每个方向上的传输的 调度。在如MAP所调度的数据传输的帧间间隙期间切换放大器方向。
网络包括在PHY (物理)和MAC层中起作用的节点。节点可以起网络控 制器的作用，其通过MAP来管理网络上的分组流；^客户端的作用，其激盾 在MAP中发送的传输调度。节点可以采用任何一个功能。 一般地，网络将包括 仅仅一个NC节点和至少一个客户端节点。所有节点都旨,向或从任何其他节 点发送或接收分组。
TDD放大器包括方向可切换RF放大器，根据需要过滤^择放大的频率 范围，以及控制电路用以选择放大器的方向和增益。TDD放大器包括客户端节 点的一些或全部功能以监视网络MAP和话务从而控制放大器。
在一个实施例中，WAN具有处于固定位置的NC，朝着电缆头端并且远离 位于建筑物内部的客户端节点，客户端节点也称为终端节点。TOD放大器方向 基于来自NC或去往NC的传输的调度来切换。
当客户端或NC正在传输时，不是所有安置于电缆装置内的TDD放大器都 必须处于传输路径中。 一些TDD放大器仅被用于远处的客户端并且不在较近客 户端的路径中。在这种情况下，不在NC和客户端之间的直接通信路径中的TOD 放大器可能被切换远离预期的接收机，这样不需要的TOD放大器的输出噪声不 会对预期的接收机贡献噪声。
在WAN情况下，放大器的方向可能单单基于NC是否正在传输。在另一个实施例中，LAN具有能够位于节点空间中且能够移动的NC;此外，节点到节
点通信必须通过该放大器。切换控制器检测NC的位置和其他被调度的传输的
方向，并且根据该调度进行切换。
附图简述


图1示出用于接入家庭的网络的电缆装置的示图。
图2示出TDD放大器和控制电路。
图3示出TDD放大器中使用的具有可切换放大方向的可切换RF放大器。
图4示出用于TOD放大器的替换可切换RF放大器配置。
图5示出4信道TOD放大器。
图6示出在家庭安装中使用的TDD放大器。
图7示出包括TDD放大器的电缆分布系统的示图。
发明实施例详细描述
WAN/接入实施例
图1示出用于接入家庭的WAN的电缆装置的示图。多分发单元(MDU) 110在光纤信号和同轴电缆(coax)电信号间进行转换。MDU 110驱动电缆段 115到达主干桥接放大器(TOA) 120，该电缆段115长度范围通常为150到300 米。MDU可以具有连接到多个TBA120的多个输出。TBA120具有放大器128， 其充当旁路电路并且放大有线电视信号。TOA 120还具有输出122来驱动其他 下行TBA 120，并且具有高功率输出124来驱动通常通过长达300米的同轴电
缆向邻居提供电缆信号的同轴龟缆。。
抽头140 (接入电缆信号的连接)、離接到TBA输出122的同轴电缆上分 布。尽管被称为TBA输出，但这些端口 122被称为TBA输出仅仅由于该短语 被用于电缆系统电视信号流术语，这里即是这种情况。应当指出，在当前的架 构中，信号流入和流出这些TBA端口。分接150 ^接到抽头的同轴电缆，并 且到达各个家庭。家庭的接入点160使得客户能接入电缆连接以便分布在家中。 分路器162戈吩下行信号并且汇总上行信号以便向/从各个服务单元164进行分 发，服务单元164可以为电视、有线机顶盒(STO)、或网络节点。
在电缆装置中需要时分双工(TDD)放大器200在上行和下行方向上放大网謝言号。TDD放大器200被安装在电缆布线中，与TOA输出122上的电缆 信号流串联。分路器/耦合器126提供到邻居电缆输出125的连接。TDD放大器 200可以与电缆信号放大器128并行安M放大通过TBA 120流入电缆系统中 的网络信号流。网络信号被放大，其驱动到客户端节点并且也从客户端节点到 NC节点。替换配置是可能的；一个示例是将TOD放大器与邻居电缆输出串联。
TDD放大器20(M雌地安MTBA120中。MDU110容纟内NC (未示出)。 如果使用多个网謝言道，MDU110将容纳一个或多个NC。
WAN中的NC錢MAP消息，该消息被TOD放大器200中的切J娥制 电路解码，并且基于至蜮从NC的传输的调度将RF放大器210 (参见图2)切 换到合适的方向。
图2示出TOD放大器200。 TDD放大器包括方向可切换RF放大器210、 和控制电路215、 220、 225、 230、 240 ^择放大器的方向和增益。
为信号流方向提供参考的NC的位置是已知的；其在客户端节点的上游。 采用耦合器215、分路器或其他公知的技术监视放大器200的NC侦啲信号。射 频集成电路(RFIC) 220接收正被监视的信号。对RF信号进行滤波、自动增益 控制(AGC)、放大和其他处理。经处理的RF信号被传递到基带IC230。控制 RFIC 220和基带设备之间的信号和RF数据流。在RFIC 220或基带IC 230中将 RF信号数字化。基带IC 230解调该信号并且提取包括从NC发送的MAP的数 字消息信息。主机处理器240可以进一步处理收到信号的信号参数，包括确定 将对TDD放大器200设置的增益水平。对RF放大器210的方向控制可以从RFIC 220、基带设备230、或监视RFIC 220与基带设备230之间的信号的逻辑225 进行驱动。方向控制信号可以响应于用于确定网络上信号流的方向的ftf可方法。 例如，根据一个实施例，逻辑225能够解码MAP消息并且基于这些消息确定信 号方向。或者，逻辑225被设为与NC和RF放大器210串联，并且直接地检测 信号流的方向。在其中使用MAP消息的实施例中，TDD放大器200包括客户 端节点的部分或全部功能来监视网络MAP和话务，以控制放大器200。或者， 增益可由来自网络中其他设备的消息控制，其他设备包括但不限于其他TOD放 大器200。
网络通信协议可以基于帧。每一帧包括宣告下一帧中对信道上所有传输的 调度的MAP。调度中的暗示或明示^t传送的设备的标识并且因此确定TDD放大器200需要的信号流和放大的方向。逻辑225检测和解码由NC发送的MAP 信息并且用其确定下一帧中的传输时间。该帧包括根据MAP调度用于每个节点 传输的时隙。在每个传输隙之间，提供帧间间隙来计及传输时延和节点的发送 器和接收器电路进行切换的时间。
在WAN模式下，与一些节点客户端和NC之间的路径成直线地插入TOD 放大器200。此外，客户端可以被直接连接到MDU110或其次级或分布端口。 根据经解码的MAP和传输设备位置需要的传输方向来设置对切换的方向控制。 如果MAP指示传输是来自于NC的，则TDD放大器200的方向被切换成在从 NC到节点客户端的方向进行放大。
对于TOD放大器200的每个方向，输出信号的电平可以是不同的。处理器 240可以被用来调整放大器210的增益，进而调整输出信号电平，来获得在每个 方向上需要的信号电平。或者，处理器240可以被用于在两个方向上调整放大 器的增益。
图3示出TDD放大器200中使用的方向可切换RF放大器210。所有的开 关302根据单一控制信号进行切换。开关302处于图3中所示的位置时，信号 流处于A到B的方向。当所有开关302都处于另一位置时，信号流处于B到A 的方向。放大器210具有增益控帝崃设置输出信号电平，可对每个方向区别设 置输出信号电平。
图4示出在TDD放大器200中使用的另一个方向可切换RF放大器410的 配置。此配置减少了部件但可能危害输入到输出的隔离或很好控制的回波损耗。
通常，网络设备可以是频率灵活的并且网络可使用分配为多个网络使用的 较宽波段中的频带。例如，网络可使用从1000 MHz到1500 MHz频率范围内设 置在任意何处的50 MHz带宽。可能存在许多非交迭的分配给不同网络使用的 波段。在特定波段工作的每个网络可能与工作在其他波段的网络相互独立或同 步，并且需要针对网络上的话务^ia行TDD放大器的方向切换。
图5示出多信道TDD放大器500的部分，该TDD放大器500具有输A/ 输出端口处的四路复用器525和各个在不同频带工作的方向可切换RF放大器 520。每个方向可切换RF放大器510具有处于四路复用器中的带通滤波器535 以通过一个网络的频率。各带通滤波器535在多信道TDD放大器的一个端口构 成四路复用器，并且各带通滤波器535在多信道TOD放大器的另一端口构成四路复用器。各带通搶波器535将信号组合和划分为四个信号频带，每个频带携 带独立的网纟剤言号。
每个方向可切换RF放大器520具有独立的增益和由相应控制器操作的方向 控制。多信道TDD放大器500可以被扩展以具有更多或更少的独立信道。带通 滄波器可以为陶瓷，表面声波(SAW)、搶波器，或其他已知 虑波麟型。
在一个同轴电缆上配置多个各自工作在不同频率上的接入网的数据接入网 络中，为了简化TDD放大器的设计，可以协调不同接入网之间的上行和下行传 输。共享同轴电缆的接入网中的传输必须在时间上进行协调，以使得当一个或 多个NC正在发送时，任一网络上均没有客户端在发送。通过这样做，在任何 给定的时间，同轴电缆线上的传输总是在相同方向(上行或下行)上传播。这 导致所有信i^Jl的全部数据传输同时需要在相同方向上放大。
通过协调所有接入网之间的传输，无 滤波器组的单一 TDD放大器可用 来放大所有网络上的信号。接入NC必须全部配置到TOD放大器的一侧。
当任一或全部NC正在进行下行传输时，TDD放大器被切换以从NC到客 户端进行放大。在其他时间期间，客户端和NC之间的路径中的TOD放大器被 切换以在从客户端到NC的方向上进行放大。
选择RF放大器520的方向来调节任一NC的上行或下行传输所需要的最长 时间。上行和下行时间的固定或自适应分配可以基于网络上的话务来建立。
LAN/家中实施例
家庭电缆分布系统通常使用RF放大器来补偿电缆和分路器中的损耗。这些 放大器提升设备处的电缆信号强度，否则这些设备所在之处将具有无法忍受的 信号损耗。网络设备工作在放大的电缆分布网络中是合乎要求的，但这可能被 两个问题卩lib
1. 当存在多个放大器时，舰放大器的网謝言号的衰减可能过大。当 网謝言号必须通过放大器回传(例如，从输出到输入)时尤其是这样。
2. 当存在多个放大器时，对于常规电缆信号频率(例如<860MHz) 的无源电缆和分路器损耗通常很高，并且对于> 860MHz的网络频率的损耗将 甚至更高并且可能甚至过大。
为了克服这两个问题，需要网络放大器。网络放大器必须放大网络双向时分双工(TOD)信号。理想地，网络TDD放大器将被设计成包括常规电缆RF 放大器的功能，这样组合的放大器可以被用作现有常规RF放大器的替代，并且 放大网络和标准电缆频率。
由于网络频率比标准电缆频率具有更高损耗，因此网络放大器可能在不需 要用于标准电缆频率的RF放大器的家庭中也是有用的。
操作
网络节点使用TOD来在家庭电缆分布装置上发送双向话务流。为了放大网 络信号，放大器必须能够在任一方向上放大两个端口之间的TDD信号。尽管可 能有在两个端口之间提供同时增益的放大器设计，但是这些设计容易受可能导 致振荡的不稳定性的影响。在此提出的网络TDD放大器解码网络信号并使用来 自NC的MAP来确定传输源来自哪个端口并切换RF放大器的方向，以使得该 源被放大。放大的方向因此在逐报文基础上在两个端口间动态地切换。在任何 给定时刻，RF放大器的增益仅是单向的因此7lc远不会出现振荡。
TDD放大器通过以下操作来确定RF放大器方向
1. 将其自身注册为网络节点并且从NC接收MAP。
2. 获悉其两个端口的每一个上的其他节点。
3. 解码MAP并且使用该信息来切换放大方向。
图6示出在家庭装置中使用的TOD放大器。TDD放大器控制电路610和 RF开关630选择性地监视RF放大器620的两个端口以检测信标消息来确定NC 位于何处。信标是NC发送的特殊消息，以告知其他节点网络中存在NC。在定 位NC后，TOD放大器充当客户端节点并且加入NC的网络。然后TOD放大器 将接收来自NC的MAP。控制电路610能够解码MAP调度并皿视信号活动 以确定客户端节点的位置。耦合器625和627提供对信号的监视点。耦合器可 以为定向耦合器。RF端口上的双工器640和650为不M可切换RF放大器620 的频带J^共频率选择性旁路，例如常规的有线电视信道。旁路路径电路660可 以是无源或有源的。针对该单元的配置和状态，TDD放大器可以进一步包括键 盘和显示器。査找网络协调器及准入
为了使TDD放大器工作，TOD放大器必须首先定位NC所在的RF端口并 且作为客户端节点加入NC的网络。加入NC的网络也称为被准入网络。TDD 放大器可以通过以下操作来査找网络协调器
如果网络工作可能有多个频率，则执行频率扫描。
在扫描期间-使用RF开关630来监听端口 A和B以发现来自NC的信标。
找到网络协调器之后，TDD放大器必须与NC通信并且被准入网络协调器 的网络。在iit后，TOD放大器将被视为网络上的节点并且就像任一活动客户 端节点那样接收MAP。
信道扫描
只要TDD放大器未被准入网络，TDD放大器就试图通过扫描不同的RF信 道和监听信标来寻找现有网络。如果找到信标，则TOD放大器试图加入该网络。 如果未找到信标，则TDD放大器继续它的搜索并且不能通过成为网络协调器来 试图创建一个新的网络。在图6所示的配置中，TOD放大器一次仅能在一个RF 端口上传输。应当认识到，可以作出另一个配置，其中TDD放大器可以同时在 两个RF端口传输。在这种配置中，TDD放大器将成为NC。允许TDD放大器
成为NC可能有一些益处，iax寸设备来说这将增加更多的成本和复杂性。
最后工作频率(LOF)
"最后工作频率，(LOF)是TDD放大器已在其上成功地被准入网络中的最 近RF信道的频率。为了促进从复位和失败中进行稳健咴复，"最后工作频率" 被存储在TDD放大器的非易失性内存中，并且当扫描信道时，TDD放大器在 搜索其他RF频率以发现信标之前必须尝试LOF。当扫描RF信道时，在每个其 他被扫描RF频率之间，TDD放大器应该再次尝试LOF;这是为了iSS快速恢 复。
远程节点的准入
远程节点是定义为在没有1DD放大器的帮助下将处于不利情形的位置处 的节点。如果存在多个远程节点，则存在这样的危险在TDD放大器被准入NC的网络之前，远程节点已经构成它们自己的网络，由此在TDD放大器的每 个RF端口上创建了独立的网络。为了避免形成多个网络，如果存在多^程节 点，则在安装TDD放大器后应该实施下述步骤
1. 对远程节点断电
2. 对TDD放大器和P余远程节点夕卜的所有其他节点上电，留出时间倒也们 形成网络
3. 逐个对远程节点上电
在此描述的过程将保证远程节点出现并且每次有一个的加入网络。 避免多个网络的替换方案是使TDD放大器短暂地"堵塞" 一个端口，例如 大约O.l秒，以强迫节点复位并且重新查找NC。可以这样实施的一种方式如下
1. 房屋中的全部节点被配置为固定频率工作。这避免了在不同的频率上 形成多个网络。
2. 当搜索网络时，TOD放大器交替地检査RF端口 A和B并且尝试加 入它找至啲任何信标的网络。
3. —旦TDD放大器加入一个RF端口上的网络，它将使用在所调谐的 MoCA (同轴电缆多媒体联盟)频率上的信号来堵塞另一RF端口大于0.1秒的 时段，从而破坏任何现有网络。也可以使用宽带堵塞信号来堵塞^MoCA波 段。
4. 在堵塞操作期间，TDD放大器仅需在它试图破坏的RF端口上注入 堵塞信号。允许另一个端口继续进行网络通信。
5. 在堵塞RF端口后，TDD放大器可以开始正常工作，从一个端口向 另一个端口传 信，并且允许全部节点组成一个公共网络。
解决多网络的另一个方法可为在TDD放大器中包括同时监视两个RF端口 以发现信标的两个电路。如果在两个端口上均监听到信标，则TOD放大器可以 选择如上所述堵塞端口之一。
除了堵塞RF端口来解决多个网络问题，也可以代替地由TDD放大器发送 一条消息给网络中的所有节点，指示他们解散网络，接着使得旨隨过TDD放大 器形成新的单一网络。
注意，在nc选择的情况下^ma其将nc转移到最优物理位置的过程，
由于选M程将NC移动到最佳位置上，因此哪个RF端口上的明P个节点最初成为网络的网络协调器并不重要。由于TDD放大器是网络上的客户端节点，因此 TDD放大器将意识到NC移动并且根据新的NC的MAP自动切换。
拓扑结构学习
为了使TDD放大器切换增益方向，TOD放大器必须学习哪个设备连接到 它的那个端口。这种学习在LAN和WAN架构中均会发生。有许多不同方式可 以完成该学习。通常，所有的拓扑结构学习技术需要在RF端口监听消息。 一种 可能方式是使TDD放大器遵从下述步骤
选择一个RF端口 (A或B)来监听准入请求消息一当客户端节点加入 网络时，从客户端节点向NC发送准入请求消息。
如果在特定RF端口听到一个节点的准入请求，TDD放大器会知道该客 户端节点被连接到TDD放大器的那个端口 。
如果客户端节点被准入网络并且TOD放大器在它正监听准入请求的RF 端口上没有听到那个节点的准入请求，则TOD放大器会知道该客户端节点连接 到它没有监听准入请求消息的那个RF端口。
权利要求
1、一种时分双工(TDD)放大器，包括可切换RF放大器；以及耦合到所述可切换RF放大器的切换控制器，所述切换控制器能够监视网络通信以确定信号传输的方向，并且能够响应于所确定的方向提供切换指令给所述可切换RF放大器。
2、 如权利要求1所述的TOD放大器，其特征在于，所述被监视的网络通 信包括包含对每个传输的调度的媒fl^入计划(MAP)。
3、 如权禾腰求2戶脱的TDD放大器，其特征在于，MAP是从网離制器 传送的。
4、 如权利要求3所述的TDD放大器，其特征在于，所述网络控制器为每 个被调度的传输传送一个比特射旨満个传输的信号流的方向。
5、 如权禾腰求1戶腿的TDD放大器，其特征在于，进一步包括 旁路电路；以及耦合到戶脱旁路电路禾口 RF放大器的频率选择性搶波器，所述滤波器将一个 频带传递到所述可切换RF放大器以及将第二频带传递到所述旁路电路，从而所 述可切换RF放大器不放大所述第二频带。
6、 如权利要求5戶脱的放大器，其特征在于，戶腐旁路电路是放大器。
7、 一种多信道时分双工(TDD)放大器，包括 多个可切换射频(RF)放大器；多个耦合到所述RF放大器的频率选择性滤波器，用来为每个RF放大器选 择频带；以及控制电路，用于监视所述可切换RF放大器处的信号并皿制所述RF放大 器的放大方向。
8、 如权利要求7所述的多信道TDD放大器，其特征在于，通过监视与每 个可切换RF放大器相关联的网络通信来独近也切换每个可切换RF放大器。
9、 如权利要求7所述的多信道TDD放大器，其特征在于.，^可切换RF 放大器的切换是同步的，从而所有可切换RF放大器一起切换。
全文摘要
一种时分双工(TDD)放大器切换放大方向以针对网络中信号流的方向按需在两个方向上放大信号。通过监视通信信道以确定网络上传输的方向来控制TDD放大器切换。
文档编号H04B1/44GK101622794SQ200780047047
公开日2010年1月6日 申请日期2007年12月19日 优先权日2006年12月20日
发明者E·J·沃纳, R·B·李 申请人:熵敏通讯股份有限公司