5G基礎(chǔ)設(shè)施開啟射頻芯片內(nèi)部的新集成前沿

大規(guī)模多輸入多輸出（mMIMO）的出現(xiàn)為基站硬件帶來了新的射頻挑戰(zhàn)，而新的無線電技術(shù)則促進了5G無線的發(fā)展。因此，已經(jīng)面臨日益增加的RF復雜性的5G基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在要求半導體公司進行另一輪創(chuàng)新，以通過適應性更強的解決方案來提高網(wǎng)絡(luò)效率。

到目前為止，通信設(shè)備制造商勢必會創(chuàng)建具有特定頻率的多個卡，以滿足無線行業(yè)對全球各種許可和未授權(quán)5G頻段的要求。以愛立信為例，該公司每周創(chuàng)建兩個電路板設(shè)計，以跟上全球所有頻率計劃。

那么，我們?nèi)绾伍_發(fā)一個與頻率無關(guān)且可以在多個地區(qū)使用的單一平臺呢？特別是對于mMIMO無線電，它在面板中使用大量天線，這使得網(wǎng)絡(luò)效率至關(guān)重要。賽靈思聲稱其ZynqUltraScale+ ? RF?片上系統(tǒng) （SoC） 提供單芯片自適應平臺，可針對多種 5G 標準進行重新配置。

直接射頻采樣

在傳統(tǒng)的模擬方法中，RF信號鏈通過JESD204接口連接到數(shù)字前端，RF采樣由分立元件執(zhí)行。它還涉及每個芯片一個或兩個轉(zhuǎn)換器。在這里，從一個芯片到另一個芯片的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可能需要高達8瓦的功率來傳輸320 Gb的數(shù)據(jù)。

但是，當您使用大量發(fā)射器和接收器時，就像在mMIMO設(shè)計中一樣，您必須非常注意功耗。因此，Zynq UltraScale+ 提供了一個單芯片自適應無線電平臺，可對射頻信號進行直接采樣。

圖 1：傳統(tǒng)基于模擬的方法（上圖）和直接射頻采樣方法（下圖）之間的比較。

直接RF采樣直接處理輸入信號，無需下變頻至中頻（IF）信號，并應用DSP技術(shù)在數(shù)字域中執(zhí)行信號調(diào)理等任務(wù)。這消除了JESD204在RF電路進入下一個芯片執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)路由等任務(wù)時的瓶頸。

這反過來又簡化了模數(shù)信號鏈，并允許處理更多數(shù)據(jù)，這是5G系統(tǒng)中mMIMO基站的關(guān)鍵優(yōu)勢。該單芯片自適應平臺集成了基帶、無線電IP、MAC、DSP信令和濾波以及具有通用數(shù)字處理器和DDR4存儲器子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

例如，RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的集成為降低功耗、占位面積和物料清單（BOM）成本提供了寶貴的途徑。ZynqUltraScale+ 使用 14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 支持高達 5 Giga 樣本/秒的直接射頻采樣，使用 14 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 支持高達 10 G 采樣/秒的直接射頻采樣。?

在 Zynq UltraScale+ 中，RF ADC 的采樣速率從 4 G 采樣/秒提高到 5 G 采樣/秒，RF DAC 的采樣速率從 6 G 采樣/秒提高到 10 G 采樣/秒。對于時分雙工（TDD）用例，RF數(shù)據(jù)模塊的功耗降低了20%。在這里，值得一提的是，大多數(shù)5G無線電都是基于TDD技術(shù)的。

FPGA 如何助力射頻設(shè)計

以FPGA為中心的設(shè)計通常需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，但到目前為止，只有低性能轉(zhuǎn)換器被集成到FPGA中，用于系統(tǒng)監(jiān)控等應用。這主要是因為模擬和數(shù)字處理器是由半導體公司的不同集團甚至完全由不同的公司開發(fā)的。

數(shù)字團隊致力于節(jié)點遷移以縮小節(jié)點大小，而模擬工程師則使用穩(wěn)定的舊處理節(jié)點。但是，在像mMIMO這樣的現(xiàn)代無線電用例中，它必須改變，這些用例要求更高的集成度。

Xilinx 聲稱，采用 16 nm 鰭式場效應晶體管工藝制造的 Zynq UltraScale+ 是這種更高集成度的體現(xiàn);它將模擬域和數(shù)字域集成到一塊硅片中，以通過可編程邏輯優(yōu)化信號流。

硬件和軟件可編程引擎的集成消除了分立元件，從而將功耗和設(shè)計尺寸降低了多達 50%。例如，Zynq UltraScale+ 通過將外部 PLL 振蕩器的數(shù)量從四個減少到一個來降低 BOM 成本。

圖 2：集成模擬和數(shù)字部件的單芯片射頻解決方案如何降低功耗、占位面積和 BOM 成本。

除了 5G 基站設(shè)計，Xilinx 還將這種多頻段無線電芯片用于其他射頻應用，如相控陣雷達網(wǎng)絡(luò)和天氣監(jiān)視系統(tǒng)。然后，還有一些用例，例如用于電纜接入的遠程PHY節(jié)點，汽車中的激光雷達系統(tǒng)，測試和測量以及衛(wèi)星通信。

適應5G世界

5G標準將在未來幾年內(nèi)不斷發(fā)展，這將繼續(xù)改變系統(tǒng)要求。因此，與通信設(shè)備制造商一直在使用ASIC的3G和4G設(shè)計領(lǐng)域不同，靈活的邏輯方法更有可能經(jīng)受住增量5G部署。

當今5G設(shè)計環(huán)境中的ASIC解決方案很可能在一年內(nèi)過時。另一方面，連接模擬域和數(shù)字域的可編程解決方案（圖3）可以針對各種5G安裝進行重新配置。

圖 3：顯示不同子系統(tǒng)的 Zynq UltraScale+ 射頻芯片框圖。

本文介紹了一種高度集成的RF芯片的概況，該芯片在數(shù)字域內(nèi)執(zhí)行下變頻過程，從而繞過了傳統(tǒng)的模擬RF采樣方式，該方式涉及分立元件的下變頻。

生活筆記本：郭婷