如何采用DAC簡化LTE MIMO和5G無線設(shè)計(jì)

使用多輸入多輸出（MIMO）發(fā)射和接收天線方案的空間分集確實(shí)在IEEE 802.11a（5 GHz Wi-Fi）中起飛，但由于它現(xiàn)在對LTE和5G無線變得越來越重要，設(shè)計(jì)師需要仔細(xì)研究它的工作原理，以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）在實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵作用。

無線通信鏈路設(shè)計(jì)人員在實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的多重目標(biāo)時(shí)通常面臨挑戰(zhàn)。首先，它們必須達(dá)到最小誤碼率（BER）。與此同時(shí)，他們必須努力降低功耗并節(jié)省帶寬。當(dāng)然，這些目標(biāo)有些矛盾：提高BER的最簡單方法是提高功率，因?yàn)檫@樣做會增加信噪比（SNR）;此外，使用更多帶寬通常是提高BER的一種方法。

在系統(tǒng)級，提高性能和實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的目標(biāo)通常始于壓縮比特流的復(fù)雜數(shù)據(jù)編碼方案。添加錯誤檢測和糾正。但是，一旦完成數(shù)據(jù)操作，滿足鏈路目標(biāo)的負(fù)擔(dān)就落在發(fā)送側(cè)放大器和天線以及接收側(cè)天線和前端上。

為了提高性能，工程師可以利用三種多樣性技術(shù)中的一種或多種：

時(shí)間分集：用最簡單的術(shù)語來說，這意味著重復(fù)多次消息，包括交錯消息，如圖1所示。

圖1：在時(shí)間分集中，消息重復(fù)一次或多次以克服信道中的噪聲，作為冗余的形式;它經(jīng)常與其他消息交錯。 （圖片由Saad Foroughi Farsani，Azad University of Najafabad提供，來自Slideshare.net）

頻率分集：使用更多帶寬或信道，包括跳頻和擴(kuò)頻技術(shù)，可以克服噪聲部分頻譜;參見圖2.

圖2：在頻率分集中，消息在兩個或多個通道上同時(shí)或連續(xù)傳輸，以避免頻譜中的噪音。 （圖片由Telekomunikasi Dasar提供，來自Slideshare.net）

空間分集：使用兩個或更多天線，在發(fā)送側(cè)或接收側(cè)，或兩者，以提供更多的物理路徑用于無線鏈路;見圖3.

圖3：在空間分集中，消息在兩條或更多條物理路徑上傳輸，以提高性能與本地噪聲，以及避免物理障礙。 （圖片由Telekomunikasi Dasar提供，來自Slideshare.net）

雖然前兩種技術(shù)已被廣泛使用多年，但由于技術(shù)原因，空間多樣性滯后。然而，最近，它已經(jīng)引起了相當(dāng)多的關(guān)注：它已經(jīng)被LTE設(shè)備使用，并且是無線手機(jī)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的5G無線標(biāo)準(zhǔn)MIMO（多輸入/多輸出）空間分集的一部分;參見圖4.

圖4：在基本MIMO系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)鏈路的發(fā)送端和接收端都使用多個天線;這里顯示每端有兩個天線。 （圖片由Telecomhall.com提供）

請注意，MIMO拓?fù)洳槐厥菍ΨQ的，并按發(fā)射和接收天線的數(shù)量進(jìn)行分類：3×3 MIMO各有三個，而a 3×2版本有三個發(fā)射天線和兩個接收天線。

一個命名說明：它可能有點(diǎn)違反直覺，但MIMO中的“輸出”術(shù)語并不是指發(fā)射機(jī)輸出;相反，它指的是從接收器前端到信號鏈的輸出，因此它是鏈路的輸出。類似地，“輸入”指的是發(fā)射機(jī)PA和無線電鏈路的輸入，而不是接收機(jī)的輸入。

MIMO基礎(chǔ)

MIMO是一種提高鏈路性能的技術(shù)（兩點(diǎn)之間的SNR改善，功率要求降低）。使用MIMO和空間分集提供了幾個優(yōu)點(diǎn)：

通過控制發(fā)送到每個天線或由每個天線接收的信號的相對信號定時(shí)（相移），鏈路可以產(chǎn)生靜態(tài)波束形成甚至是動態(tài)的波束轉(zhuǎn)向。 （相移使用多個波前之間的相長干涉和相消干涉的原理來將能量引導(dǎo)到所需方向。）這種波束控制允許發(fā)射器聚焦在期望的接收器上（通過發(fā)射器波束控制）或接收器聚焦在期望的接收器上（通過接收器）因此，潛在地最小化干擾，噪聲源和物理障礙的影響。

即使不考慮干擾，波束成形也允許發(fā)射機(jī)瞄準(zhǔn)接收機(jī)（反之亦然），因此使用較少發(fā)射功率，同時(shí)仍然為預(yù)期的接收器提供足夠的功率;它可以減輕鏈路多路徑的負(fù)面影響。

MIMO還可以提高其他信道和鏈路的整體系統(tǒng)性能，因?yàn)樗梢詼p少不需要的區(qū)域中不必要的射頻能量。

如果MIMO是一個好主意，為什么不經(jīng)常使用它？基本的分集天線布置已經(jīng)用于消費(fèi)產(chǎn)品，例如無線Wi-Fi路由器，以提高性能并最小化RF死點(diǎn);但移動應(yīng)用還需要考慮波長尺寸，電路復(fù)雜性，處理要求和成本等因素。

例如，為了有效，多個天線需要間隔至少四分之一波長（在1GHz，波長為30cm，因此λ/4約為7.5cm）。因此，在較低頻率下，MIMO僅適用于固定（靜止）情況。然而，使用2.4 GHz，5.4 GHz及更高頻段（5G進(jìn)入數(shù)十GHz）的頻段使其適用于智能手機(jī)和智能設(shè)備（如網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）等便攜式設(shè)備，因?yàn)棣?4會降低。

此外，MIMO需要更多電路。在發(fā)送方面，它需要額外的PA，耦合器和天線;在接收方面，它還需要額外的天線，前端耦合器和低噪聲放大器（LNA），盡管有些MIMO設(shè)計(jì)使用單個LNA，在天線之間切換。

第三個因素是與非MIMO相比，MIMO在發(fā)射機(jī)處需要更多的處理能力來管理多個波束和天線，并且在接收機(jī)處需要更多的處理能力來理解接收信號的混雜。這種功率轉(zhuǎn)化為更高的功耗。

盡管存在這些因素，但值得注意的是MIMO的變體已成功應(yīng)用于非5G/非網(wǎng)狀應(yīng)用，如長距離大氣無線電鏈路。它也是相控陣?yán)走_(dá)的基礎(chǔ)，數(shù)百個天線經(jīng)過精心的相位控制，以電子方式控制雷達(dá)。在這種情況下，發(fā)射機(jī)天線和接收機(jī)天線是相同的物理組件，并通過發(fā)射/接收開關(guān)連接到PA和LNA。

MIMO可以簡化

MIMO不必是對稱的，具有相同數(shù)量的發(fā)射和接收天線。一種稱為SIMO的專用變體 - 單輸入，多輸出 - 使用多個接收器天線，但發(fā)射器上只有一個天線;參見圖5.這可用于預(yù)期接收器由于其位置或環(huán)境RFI引起的接收問題。

圖5：減少 - MIMO系統(tǒng)的復(fù)雜性變體使用發(fā)射機(jī)處的單個天線和接收機(jī)處的多個天線（SIMO）;或者發(fā)射機(jī)上有多個天線，接收機(jī)上有一個天線（MISO）。 （來源：維基百科）

由于MIMO固有的復(fù)雜性，一些應(yīng)用程序選擇使用另一種稱為MISO（多輸入，單輸出）的簡化版本。該分集拓?fù)鋬H在發(fā)射器處具有多個天線，但在接收器處不具有多個天線。這樣做似乎并不比SIMO簡單，但事實(shí)并非如此。 MISO實(shí)際上減少了MIMO拓?fù)涞碾娐泛吞幚碡?fù)擔(dān)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過簡單的“一半”，并且遠(yuǎn)不如SIMO復(fù)雜。

為何與眾不同？這是由于傳輸信號與接收信號的固有特性。從信號理論的基本原理以及實(shí)際實(shí)踐中，我們知道傳輸給定信號比接收信號更容易。原因在于傳輸是一個很大程度上是確定性的過程，在已知且相當(dāng)溫和的環(huán)境中具有已知信號，噪聲和失真問題最小。

相反，接收是一個困難的過程。接收器面臨許多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)與在未知甚至惡劣的RF環(huán)境中捕獲和理解大部分未知信號有關(guān)。接收信號有許多可能類型的損傷：信道噪聲，抖動，失真，衰落，多徑，載波調(diào)諧移位和甚至基于多普勒的漂移，當(dāng)然還有低信號電平和差的信噪比。

MISO版本的MIMO識別出實(shí)現(xiàn)難度的這種差異，因此強(qiáng)調(diào)更復(fù)雜的發(fā)射機(jī)，但保留了單天線接收機(jī)。這為電路和信號處理中最小的額外投資提供了最大的性能提升。同時(shí)，如果需要，可以將MISO方法升級到完整的MIMO，而無需重新設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)，因此可以將其視為從標(biāo)準(zhǔn)單天線設(shè)計(jì)到完整MIMO方法的一個步驟。

正確的組件使MISO和MIMO變得更容易

由于MISO是MIMO的一個有吸引力的子集，并且還可以用作全功能MIMO拓?fù)涞囊徊糠?，因此供?yīng)商推出了模擬前端（ AFE）可以幫助實(shí)現(xiàn)它的IC。

構(gòu)建MISO系統(tǒng)時(shí)的許多問題之一是保持時(shí)序?qū)R并消除各個通道之間的相移（時(shí)序變化對應(yīng)于相移和相移產(chǎn)生）光束轉(zhuǎn)向模式的變化）。因此，設(shè)計(jì)系統(tǒng)以確保處理器與多個發(fā)送DAC之間的時(shí)間延遲一致且相等是至關(guān)重要的。

極端情況下，在高性能相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，甚至是分鐘由于互連RF電纜的不同溫度系數(shù)，信道之間的相移會嚴(yán)重降低性能。如果DAC等關(guān)鍵組件具有幫助滿足它的功能，則有助于此時(shí)序要求。

MISO/MIMO友好型IC的一個示例是16-/14-/11-bit的LTC2000A系列， 2.5 Gsamples/s DAC（圖6）。這些DAC的單（1.25 Gsample/s模式）或雙（2.5 Gsample/s模式）同步LVDS接口使用625 MHz DDR數(shù)據(jù)時(shí)鐘支持高達(dá)1.25 Gbits/s的數(shù)據(jù)速率。

圖6：凌力爾特公司的LTC2000A系列16/14位/11位，2.5 Gsample/s DAC非常適合MIMO和MISO設(shè)計(jì)，因?yàn)樗粋€用于校正時(shí)序?qū)R不匹配的寄存器在多個發(fā)送信道之間。 （圖片由凌力爾特公司提供）

首先，這些DAC具有出色的光譜純度，是此類設(shè)計(jì)的“必備”。器件具有以下特性：

80 dBc SFDR（無雜散動態(tài)范圍），輸出頻率為70 MHz;

SFDR超過68 dBc，從DC到1000 MHz;

>從DC到1000 MHz的78 dBc雙音IMD（互調(diào)失真）;

對于65 MHz輸出，在1 MHz偏移處小于-165 dBc/Hz附加相位噪聲

該系列中的所有DAC都包含一個內(nèi)部寄存器，允許系統(tǒng)通過DAC調(diào)整（微調(diào)）數(shù)據(jù)延遲。對于LTC2000A，最大時(shí)序失配調(diào)整是采樣時(shí)鐘周期的0.4個周期，在多DAC設(shè)計(jì)中需要（圖7）。

即使設(shè)計(jì)名義上符合匹配通道的目標(biāo) - 在通道時(shí)間到皮秒之內(nèi)，發(fā)射路徑中的每個DAC都可以進(jìn)行微調(diào)，以消除由于熱漂移等因素造成的任何殘余失配或變化。

圖7：LTC2000A系列專為MIMO和相關(guān)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，其中單個FPGA驅(qū)動多個DAC及其發(fā)送通道。 （圖片由凌力爾特公司提供）

鑒于GHz速率MISO或MIMO設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，評估或演示板非常重要。 LTC的DC2191A演示電路支持LTC2000 DAC，DAC驅(qū)動其LT5579上變頻混頻器，請參見圖8. DAC IF（中頻）輸出電路針對DC至500 MHz范圍內(nèi)的模擬頻率進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)電路開啟LO（本地振蕩器）輸入針對1000 MHz至4300 MHz的頻率進(jìn)行了優(yōu)化，RF輸出電路針對2200 MHz至2600 MHz的頻率進(jìn)行了優(yōu)化。

圖8：DC2191A演示電路用于演示LTC2000A DAC，并與Altera Stratix IV演示板配合使用;演示電路還包括一個LT5579上變頻混頻器，用于產(chǎn)生輸出RF信號。 （圖片由凌力爾特公司提供）

Altera Stratix IV演示板用于向DC2191提供數(shù)據(jù)，這對板通過USB端口連接到PC。與LTC提供的演示軟件一起，演示設(shè)置可用于創(chuàng)建復(fù)雜波形，然后將它們加載到FPGA中，以使用PC作為控制器來測試DC2191和DAC（圖9）。

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圖9：隨DC2191A演示提供的軟件允許用戶通過USB連接的PC創(chuàng)建復(fù)雜的波形，然后將它們加載到FPGA中以測試DC2191和LTC2000 DAC。 （圖片由凌力爾特提供）

結(jié)論

提供更高的數(shù)據(jù)速率和可靠的傳輸，并且在更高頻率下這樣做是一項(xiàng)日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了取得成功，設(shè)計(jì)人員采用時(shí)間，頻率和空間分集技術(shù)。后一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（通常稱為MIMO）用于多輸入，多輸出，已用于大型固定安裝以及5 GHz Wi-Fi，但現(xiàn)在作為移動LTE和5G手機(jī)的一部分受到越來越多的關(guān)注作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

在典型的實(shí)現(xiàn)中，在發(fā)送器或接收器處或在數(shù)據(jù)鏈路的兩端使用多個天線。雖然MIMO和更簡單的天線分集變體提供了改進(jìn)的SNR，BER和動態(tài)波束成形，但MIMO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要密切關(guān)注沿多個發(fā)送通道的信號時(shí)序，因此它有助于識別具有架構(gòu)和內(nèi)部功能優(yōu)化的專用DAC用于MIMO發(fā)射器。