無論是屏幕尺寸的變化、處理性能的提升,還是拍照效果的突破等,如今每一款新的智能手機(jī)(稱為用戶設(shè)備(UE))推向市場,常常吸引眼球并占據(jù)新聞?lì)^條。從to B端的角度出發(fā),智能手機(jī)的發(fā)展伴隨著幾代無線通信標(biāo)準(zhǔn)的更迭,如3G、4G,以及即將到來的5G,無線電接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)的基礎(chǔ)設(shè)施基站(eNode B)也歷經(jīng)嬗變。雖遠(yuǎn)沒有消費(fèi)電子那么熱鬧,但正是這兩者的同步發(fā)展,才成就了如今互連世界的數(shù)據(jù)洪流。
據(jù)IHS Markit最近發(fā)布的移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施市場分析報(bào)告,2018年全球2G/3G/4G和5G基礎(chǔ)設(shè)硬件總收入將達(dá)到497億美元。在LTE升級和5G開始部署的驅(qū)動(dòng)下,2018年第三季度全球移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施硬件收入表現(xiàn)強(qiáng)于去年同期。LTE繼續(xù)在全球范圍內(nèi)擴(kuò)張,其全球普及率持續(xù)上升,這為未來幾年基礎(chǔ)設(shè)施硬件、如基站的市場帶來了利好。
面對通信數(shù)據(jù)洪流,多頻段無線電與頻譜如何利用?
從GSM到LTE,蜂窩頻段的數(shù)量從4個(gè)增加到40個(gè)以上、暴增了10倍。隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn),基站供應(yīng)商發(fā)現(xiàn)無線電變化形式倍增。LTE-A提高了多頻段無線電的要求,在混頻中增加了載波聚合,使得同一頻段內(nèi)(更重要的是不同頻段內(nèi))的非連續(xù)頻譜可以在基帶調(diào)制解調(diào)器中聚合為單一流。
頻譜稀疏是通信業(yè)界的共識,圖1顯示了幾個(gè)載波聚合頻段組合,突出說明了這一問題。綠色是帶間間隔,紅色是目標(biāo)頻段。信息理論要求系統(tǒng)不應(yīng)浪費(fèi)功率去轉(zhuǎn)換不需要的頻譜。多頻段無線電需要有效的手段來轉(zhuǎn)換模擬和數(shù)字域之間的稀疏頻譜。
圖1:非連續(xù)頻譜的載波聚合突出說明了頻譜稀疏問題
對此,ADI公司系統(tǒng)工程師John Oates表示:“為了增加數(shù)據(jù)吞吐量,現(xiàn)代基站無線電設(shè)計(jì)必須通過多頻段載波聚合來獲得更多的頻譜帶寬。而RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可使用全部6 GHz以下蜂窩頻譜,并快速重新配置以適應(yīng)不同頻段組合。這一類頻率捷變直接RF架構(gòu)可縮減成本、尺寸、重量和功耗,使得RF DAC發(fā)射機(jī)和RF ADC DPD接收機(jī)成為6 GHz以下多頻段基站的首選架構(gòu)?!?/p>
基站無線電架構(gòu)正處變革,發(fā)射機(jī)演變?yōu)橹苯覴F
為了應(yīng)對4G 、5G網(wǎng)絡(luò)的需求,廣域基站的無線電架構(gòu)正不斷升級。帶混頻器和單通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的超外差窄帶IF采樣無線電已被復(fù)中頻(CIF)和零中頻(ZIF)等帶寬加倍的I/Q架構(gòu)所取代。但是,ZIF和CIF收發(fā)器需要模擬I/Q調(diào)制器/解調(diào)器,其采用雙通道和四通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,同時(shí)也會遭受LO泄漏和正交誤差鏡像的影響,必須予以校正。所幸,采樣速率的提高帶來了超寬帶寬的GSPS RF轉(zhuǎn)換器,使得頻率捷變軟件定義無線電最終成為現(xiàn)實(shí)。
圖2:無線射頻架構(gòu)不斷演變以適應(yīng)日益增長的帶寬需求,進(jìn)而通過SDR技術(shù)變得更具頻率捷變性
據(jù)ADI技術(shù)專家介紹,6 GHz以下BTS架構(gòu)的終極形態(tài)或許就是直接RF采樣和合成。直接RF架構(gòu)不再需要模擬頻率轉(zhuǎn)換器件,例如混頻器、I/Q調(diào)制器和I/Q解調(diào)器,這些器件本身就是許多干擾雜散信號的來源。相反,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器直接與RF頻率接口,任何混頻均可通過集成數(shù)字上/下變頻器(DUC/DDC)以數(shù)字方式完成。
同時(shí),多頻段效率增益以精密DSP的形式出現(xiàn),其已包含在ADI最新推出的RF轉(zhuǎn)換器中,可以僅對需要的頻段進(jìn)行數(shù)字通道化,同時(shí)支持使用全部RF帶寬。利用集內(nèi)插/抽取上/下采樣器、半帶濾波器和數(shù)控振蕩器(NCO)于一體的并行DUC或DDC,可以在模擬和數(shù)字域相互轉(zhuǎn)換之前對目標(biāo)頻段進(jìn)行數(shù)字化建構(gòu)/解構(gòu)。
并行數(shù)字上/下變頻器架構(gòu)允許用戶對多個(gè)所需頻段(圖1中以紅色顯示)進(jìn)行通道化,而不會浪費(fèi)寶貴的周期時(shí)間去轉(zhuǎn)換未使用的頻段 (圖1中以綠色顯示)。高效率多頻段通道化具有降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣速率要求的效果,并能減少通過JESD204B數(shù)據(jù)總線傳輸所需的串行通道數(shù)量。降低系統(tǒng)采樣速率可降低基帶處理器的成本、功耗和散熱管理要求,從而節(jié)省整個(gè)基站系統(tǒng)的資本支出(CAPEX)和運(yùn)營支出(OPEX)。
利用ADI RF轉(zhuǎn)換器,造一個(gè)帶DPD接收機(jī)的直接RF發(fā)射機(jī)
在新一代多頻段BTS無線電中,RF DAC已成功取代了IF DAC。事實(shí)上,ADI公司基于SiGe & 28nm CMOS工藝打造的兩款微波5G前端系統(tǒng)解決方案——高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9208與高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9172,為下一代寬帶軟件定義系統(tǒng)樹立了新的性能基準(zhǔn)。以基于ADI公司的16位12 GSPS RF DAC——AD9172打造的直接RF發(fā)射機(jī)為例,其利用三個(gè)并行DUC支持三頻段通道化,允許在1200 MHz帶寬上靈活地放置副載波。在RF DAC之后,選用ADI公司的高性能數(shù)字增益放大器ADL5335提供12 dB的增益和31.5 dB的衰減范圍,最高支持4 GHz。根據(jù)eNode B的輸出功率要求,這一直接RF發(fā)射機(jī)的輸出可以驅(qū)動(dòng)所選功率放大器。
圖3:基于ADI公司RF DAC——AD9172構(gòu)建直接RF發(fā)射機(jī)
考慮圖4所示的頻段3和頻段7情形,可進(jìn)一步通過寬帶方法將數(shù)據(jù)流直接轉(zhuǎn)換為RF。這一方法是不經(jīng)通道化而合成頻段,要求1228.8 MHz的數(shù)據(jù)速率。此帶寬的80%產(chǎn)生983.04 MHz的DPD(數(shù)字預(yù)失真)合成帶寬,足以傳輸兩個(gè)頻帶及其740 MHz的頻帶間隔。 ADI技術(shù)專家指出,該方法對DPD系統(tǒng)有好處,不僅可以對每個(gè)單獨(dú)載波的帶內(nèi)IMD進(jìn)行預(yù)失真,還能對所需頻帶之間的其他無用非線性發(fā)射進(jìn)行預(yù)失真,對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分具有吸引力。
圖4:雙頻段情形:頻段3(1805 MHz至1880 MHz)和頻段7(2620 MHz至2690 MHz)
同時(shí),AD9172搭配AD9208使用,可構(gòu)建直接RF架構(gòu)的DPD觀測接收機(jī)。ADI公司14位3 GSPS RF ADC——AD9208,支持通過并行DDC進(jìn)行多頻段通道化;基于其構(gòu)建的發(fā)射機(jī)DPD子系統(tǒng)中RF DAC和RF ADC組合有許多優(yōu)點(diǎn),包括共享轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘、相關(guān)相位噪聲消除以及系統(tǒng)整體的簡化。其中一個(gè)簡化是,集成PLL的AD9172能夠從低頻參考信號生成高達(dá)12 GHz的時(shí)鐘,而無需在無線電電路板周圍布設(shè)高頻時(shí)鐘。此外,RF DAC可以輸出其時(shí)鐘的相位相干分頻版本供反饋ADC使用。此類系統(tǒng)特性支持創(chuàng)建優(yōu)化的多頻段發(fā)射機(jī)芯片組,從而真正增強(qiáng)BTS DPD系統(tǒng)。
圖5:基于ADI公司RF ADC——AD9208構(gòu)建用于數(shù)字預(yù)失真的直接RF觀測接收機(jī)
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