RF轉(zhuǎn)換器為下一代無線基站提供高效的多頻段無線電

為了支持不斷增長的無線數(shù)據(jù)需求，現(xiàn)代基站無線電 旨在支持多個E-UTRA頻段，以及 載波聚合技術(shù)。這些多頻段無線電采用 下一代GSPS射頻ADC和DAC，可實(shí)現(xiàn)頻率捷變， 直接射頻信號合成和采樣技術(shù)。處理 射頻無線頻譜的稀疏性質(zhì)，復(fù)雜的DSP 用于有效地處理數(shù)據(jù)位到 RF 并再次返回。 描述了多頻段的直接RF發(fā)射器示例 應(yīng)用，考慮 DSP 配置和功耗與帶寬的關(guān)系 折衷。

簡介 — 10 年、10 × 頻段、100× 數(shù)據(jù)速率

自智能手機(jī)革命開始以來已經(jīng)有10年了，當(dāng)時蘋果在2007年發(fā)布了第一代iPhone。10 年和兩代無線標(biāo)準(zhǔn)之后，很多事情都發(fā)生了變化。也許不像消費(fèi)者智能手機(jī)（稱為用戶設(shè)備（UE））的頭條新聞那樣迷人，無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）的基礎(chǔ)設(shè)施基站（eNodeB）已經(jīng)經(jīng)歷了自己的轉(zhuǎn)型，以實(shí)現(xiàn)我們現(xiàn)在連接世界的數(shù)據(jù)洪流。蜂窩頻段增加了10×，而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣率增加了100×。這會給我們帶來什么？?

圖1.非連續(xù)頻譜的載波聚集突出了稀疏頻譜問題。紅色顯示許可的頻段。綠色顯示帶間間距。

多頻段無線電和頻譜的有效利用

從 2G GSM 到 4G LTE，蜂窩頻段的數(shù)量激增了 10×，從 4 個增加到 40 多個。隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，基站供應(yīng)商發(fā)現(xiàn)自己的無線電變體成倍增加。LTE-advanced通過在混合中添加載波聚合來提高對多頻段無線電的要求，從而將同一頻段內(nèi)的非連續(xù)頻譜或更重要的是不同頻段中的非連續(xù)頻譜作為單個流在基帶調(diào)制解調(diào)器中聚合。

但是，RF頻譜很稀疏。圖1顯示了幾個載波聚合波段組合，突出了稀疏頻譜問題。綠色表示帶間間距，紅色表示感興趣的波段。信息論規(guī)定系統(tǒng)不會浪費(fèi)功率轉(zhuǎn)換不需要的頻譜。需要具有在模擬域和數(shù)字域之間轉(zhuǎn)換稀疏頻譜的有效方法的多頻段無線電。

基站發(fā)射機(jī)向直接射頻的演進(jìn)

為了促進(jìn)4G LTE網(wǎng)絡(luò)增加的數(shù)據(jù)消耗，廣域基站在無線電架構(gòu)上經(jīng)歷了演變。帶有混頻器和單通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的超外差、窄帶、中頻采樣無線電已被基于I/Q的架構(gòu)所取代，這些架構(gòu)使帶寬翻倍，例如復(fù)中頻（CIF）和零中頻（ZIF）。ZIF 和 CIF 收發(fā)器需要具有雙通道和四通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的模擬 I/Q 調(diào)制器/解調(diào)器。然而，這些帶寬更寬的CIF/ZIF收發(fā)器也存在必須糾正的LO泄漏和正交誤差鏡像。

圖2.無線無線電架構(gòu)已經(jīng)發(fā)展到可以適應(yīng)不斷增長的帶寬需求，反過來，通過SDR技術(shù)變得更加頻率敏捷。

幸運(yùn)的是，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣率在過去10年中也增加了30×至100×從2007年的100 MSPS增加到2017年的10 GSPS+。采樣率的提高帶來了具有非常寬帶寬的GSPS射頻轉(zhuǎn)換器，使頻率捷變軟件定義無線電最終成為現(xiàn)實(shí)。

圖3.直接射頻發(fā)射器。AD9172等RF DAC包括精密的DSP模塊，帶有并行數(shù)字上變頻通道器，可實(shí)現(xiàn)高效的多頻段傳輸。

也許，sub-6 GHz無線電BTS架構(gòu)的圣杯長期以來一直是直接RF采樣和合成。直接RF架構(gòu)消除了對模擬頻率轉(zhuǎn)換器件的需求，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不需要的雜散信號的來源。相反，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器直接與RF頻率接口，任何混頻都可以通過集成的數(shù)字上/下變頻器（DUC/DDC）以數(shù)字方式完成。

多頻段效率增益以ADI公司RF轉(zhuǎn)換器中包含的復(fù)雜DSP的形式提供，允許僅對所需頻段進(jìn)行數(shù)字通道化，同時提供完整的RF帶寬。使用并行 DUC 或 DDC，它們結(jié)合了插值/抽取上/下采樣器、半帶濾波器和數(shù)控振蕩器 （NCO），可以在模擬域和數(shù)字域之間轉(zhuǎn)換之前對目標(biāo)頻段進(jìn)行數(shù)字構(gòu)建/解構(gòu)。

并行數(shù)字上/下變頻器架構(gòu)允許您對所需頻譜的多個頻段進(jìn)行通道化（圖1中以紅色顯示），而不會浪費(fèi)寶貴的周期來轉(zhuǎn)換未使用的帶間頻譜（如圖1中的綠色所示）。高效的多頻段通道化可降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器所需的采樣速率，以及通過JESD204B數(shù)據(jù)總線傳輸所需的串行通道數(shù)。降低系統(tǒng)采樣速率可降低基帶處理器的成本、功耗和熱管理要求，從而節(jié)省整個基站系統(tǒng)的資本支出和運(yùn)營支出。在高度優(yōu)化的CMOS ASIC工藝中實(shí)現(xiàn)通道化DSP比在通用FPGA結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)更節(jié)能，即使FPGA的幾何尺寸更小。

帶DPD接收器的直接RF發(fā)射器：示例

RF DAC已成功取代這些下一代多頻段BTS無線電中的IF DAC。圖3顯示了一個采用AD9172的直接RF發(fā)射器示例，AD9172是一款16位、12 GSPS RF DAC，支持具有三個并行DUC的三頻段通道化，允許在1200 MHz帶寬上靈活放置子載波。在RF DAC之后，ADL5335 Tx VGA提供12 dB增益和31.5 dB衰減范圍，最高可達(dá)4 GHz。然后，該DRF發(fā)射器的輸出可以根據(jù)eNodeB的輸出功率要求驅(qū)動所選的功率放大器。

考慮圖 4 中所示的頻段 3 和頻段 7 場景?？梢圆捎脙煞N不同的方法將數(shù)據(jù)流直接轉(zhuǎn)換為RF。第一種方法（寬帶方法）將在不進(jìn)行通道化的情況下合成頻段，需要1228.8 MHz的數(shù)據(jù)速率。 該帶寬的80%產(chǎn)生983.04 MHz的DPD（數(shù)字預(yù)失真）合成帶寬，足以傳輸兩個頻段及其740 MHz的帶間間隔。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是用于DPD系統(tǒng)，它不僅允許每個載波的帶內(nèi)IMD預(yù)失真，還允許所需頻段之間的其他不需要的非線性發(fā)射。

圖4.雙頻段方案：頻段 3（1805 MHz 至 1880 MHz）和頻段 7（2620 MHz 至 2690 MHz）。

第二種方法是合成這些頻段的信道化版本。由于每個頻段分別只有60 MHz和70 MHz，并且由于運(yùn)營商將僅擁有該帶寬子集的許可證，因此無需傳輸所有內(nèi)容并因此產(chǎn)生高數(shù)據(jù)速率。相反，讓我們使用更合適、更低的 153.6 MHz 數(shù)據(jù)速率，其中 80% 導(dǎo)致 DPD 帶寬為 122.88 MHz。如果運(yùn)營商在每個頻段擁有 20 MHz 的許可證，則仍然有足夠的 DPD 帶寬供 5千-分別對每個波段的帶內(nèi)IMD進(jìn)行階次校正。通過上述寬帶方法，此模式可在DAC中節(jié)省高達(dá)250 mW的功耗，在基帶處理器中節(jié)省更多的功耗/散熱，并減少串行通道數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更小、更低成本的FPGA/ASIC實(shí)現(xiàn)。

圖5.頻段3和頻段7 LTE使用AD9172 RF DAC通過直接RF發(fā)射器傳輸。

DPD的觀測接收器也已發(fā)展到DRF（直接RF）架構(gòu)。AD9208 14位、3 GSPS RF ADC還支持通過并行DDC進(jìn)行多頻段通道化。RF DAC和RF ADC在發(fā)射器DPD子系統(tǒng)中的組合具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括共享轉(zhuǎn)換器時鐘、相關(guān)相位噪聲消除和系統(tǒng)的整體簡化。其中一種簡化是AD9172 RF DAC及其集成PLL能夠從低頻參考信號生成高達(dá)12 GHz的時鐘，無需在無線電板周圍布線高頻時鐘。此外，RF DAC可以為反饋ADC輸出其時鐘的相位相干分頻版本。此類系統(tǒng)功能通過創(chuàng)建優(yōu)化的多頻段發(fā)射器芯片組，真正增強(qiáng)了 BTS DPD 系統(tǒng)。

圖6.用于數(shù)字預(yù)失真的直接RF觀測接收器。AD9208等寬帶RF ADC可以在5 GHz帶寬上高效數(shù)字化多個頻段。

總結(jié)

智能手機(jī)革命十年后，蜂窩業(yè)務(wù)完全與數(shù)據(jù)吞吐量有關(guān)。單頻段無線電已無法滿足消費(fèi)者的容量需求。為了提高數(shù)據(jù)吞吐量，必須通過多個頻段的載波聚合來提供更多的頻譜帶寬。RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以訪問整個sub-6 GHz蜂窩頻譜，并針對各種頻段組合快速重新配置，使軟件定義無線電成為現(xiàn)實(shí)。這些頻率捷變直接射頻架構(gòu)可降低成本、尺寸、重量和功耗。這一事實(shí)使RF DAC發(fā)射器和RF ADC DPD接收器成為sub-6 GHz多頻段基站的首選架構(gòu)。

審核編輯：郭婷