用于移動(dòng)寬帶基礎(chǔ)設(shè)施的新一代無(wú)線電數(shù)字前端解決方案 - 全文

　　網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商在通過(guò)使用新型空中接口、更高帶寬和更多蜂窩基站努力擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量的同時(shí)，要求顯著地降低設(shè)備成本。為提供能夠滿足所有這些需求的設(shè)備，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的制造商正在尋求具有更高集成度、更低功耗和成本但靈活性更高的解決方案。本文將分析賽靈思提供的新型器件Zynq?可擴(kuò)展處理平臺(tái)（EPP）將如何幫助設(shè)備制造商解決這些問(wèn)題。

　　智能電話、平板電腦和數(shù)據(jù)集線器的普及正推動(dòng)無(wú)處不在的高速數(shù)據(jù)需求呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。為提供這種數(shù)據(jù)滿足他們的需求，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商不得不使用LTE或者LTE-A等最新空中接口標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建更多蜂窩基站，同時(shí)增加每個(gè)基站的天線數(shù)。另外，每用戶平均收入（APRU）的持續(xù)下降使運(yùn)營(yíng)商每年都要求設(shè)備廠商大幅降低成本。更糟糕的是，這些新的蜂窩基站網(wǎng)絡(luò)可能要求擴(kuò)展現(xiàn)有的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)采用GSM或UMTS標(biāo)準(zhǔn)且部署在不同的頻段上。

　　圖1 典型無(wú)線電設(shè)備的高級(jí)方框圖

　　不管是增加天線數(shù)量來(lái)支持多個(gè)頻段，還是采用多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)提升數(shù)據(jù)速率，雖然成本高，但對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)是必要的。為降低對(duì)天線桿相關(guān)運(yùn)營(yíng)成本的影響，設(shè)備制造商正在想法設(shè)法縮減設(shè)備的封裝尺寸（即設(shè)備的體積和重量），同時(shí)還要降低成本和功耗。他們?cè)跓o(wú)線電傳輸領(lǐng)域不斷創(chuàng)新，從天線到雙工/三工器乃至無(wú)線電設(shè)備本身，努力縮小天線桿的封裝尺寸。

　　運(yùn)營(yíng)商可以采用多種方案滿足自己的需求。其中之一是使用多頻段天線，從而減少為支持基于GSM、UMTS或者LTE的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)所需的天線數(shù)。為進(jìn)一步完善這些多頻段天線，運(yùn)營(yíng)商可在天線桿上安裝遠(yuǎn)程無(wú)線電裝置，為所需的頻段提供支持。遠(yuǎn)程無(wú)線電裝置也必須不斷發(fā)展，以支持多種空中接口和更高的帶寬，同時(shí)減輕重量，縮小機(jī)箱，才能滿足運(yùn)營(yíng)商的未來(lái)需求。

　　天線集成無(wú)線電裝置的興起，為運(yùn)營(yíng)商提供了又一種可選方案。這種方法把無(wú)線電電子裝置安裝在天線機(jī)箱中，實(shí)現(xiàn)全集成的無(wú)線電和天線，故不必采用單獨(dú)的遠(yuǎn)程無(wú)線電裝置，從而最小化了天線桿尺寸。無(wú)線電電子裝置和天線機(jī)箱的進(jìn)一步發(fā)展就是最近推出的有源天線系統(tǒng)（AAS）。這種復(fù)雜的天線要求更強(qiáng)大的無(wú)線電信號(hào)處理能力，可增加網(wǎng)絡(luò)容量，同時(shí)縮小天線桿的封裝尺寸。

　　縮小遠(yuǎn)程無(wú)線電裝置或天線的尺寸和重量的關(guān)鍵之處在于進(jìn)一步提高無(wú)線電電子裝置的集成度。另外，為了支持GSM、LTE、UMTS等多種空中接口，無(wú)線電設(shè)備必須具有高度的靈活性和可編程功能。

　　先來(lái)看看這些無(wú)線電設(shè)備如何才能具有更好的可編程性，同時(shí)又能提供更高的集成度。

　　圖2 典型的基于ASSP的2x2無(wú)線電設(shè)計(jì)

　　圖3 賽靈思提供的新型Zynq EPP系列

　　圖4 利用 Zynq實(shí)現(xiàn)的2x2 LTE無(wú)線電

　　基帶接口的作用是通過(guò)基帶處理卡把系統(tǒng)連接到銅光纖上。基帶處理卡的位置可以在天線桿的基座上，也可以在空中。這些接口一般需要借助運(yùn)行速度高達(dá)9.8Gbps的高速串行/解串器（serdes）組件，才能用作通用公共無(wú)線接口（CPRI）。

　　基帶單元上接收到的信號(hào)或發(fā)送給基帶單元的信號(hào)在發(fā)送到模擬域之前或從模擬域接收到之后，需要進(jìn)行大量的信號(hào)處理。信號(hào)處理包括數(shù)字上/下變頻（DUC/DDC）、峰值因數(shù)抑制（CRF）和數(shù)字預(yù)失真（DPD）。DUC和DDC負(fù)責(zé)處理上采樣和整形，而CRF和DPD主要用于通過(guò)采用數(shù)字信號(hào)處理線性化功率放大器，來(lái)提高無(wú)線電單元的傳輸效率。

　　采用高速并行LVDS信號(hào)發(fā)送或新興的協(xié)議JESD204［A/B］均可實(shí)現(xiàn)到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（DAC和ADC）的接口。

　　射頻（RF）領(lǐng)域包含所有的調(diào)制器、時(shí)鐘綜合裝置、濾波器和放大器電路，用于經(jīng)功率放大器從天線處發(fā)送和接收數(shù)字信號(hào)。

　　整個(gè)無(wú)線電電裝置采用微處理器進(jìn)行控制。該微控制器一般運(yùn)行在Linux或VxWorks等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上。運(yùn)維功能負(fù)責(zé)無(wú)線電單元的告警、校準(zhǔn)、消息發(fā)送和整體控制，這是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，一般需要連接SPI/I2C、以太網(wǎng)、UART（當(dāng)然還包括存儲(chǔ)器）等其它眾多組件。

　　過(guò)去供應(yīng)商綜合運(yùn)用ASIC、ASSP和FPGA器件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字無(wú)線電信號(hào)處理功能。ASIC器件的靈活性最差，一般會(huì)因設(shè)計(jì)初期規(guī)格鎖定而導(dǎo)致功能缺失。雖然該器件成本最低，但開(kāi)發(fā)和NRE成本高，且產(chǎn)品上市速度慢。ASSP器件靈活性有限，因?yàn)樗鼈兺轻槍?duì)一系列使用案例而設(shè)計(jì)的，不適用于其它應(yīng)用。而FPGA則不然，由于其內(nèi)在的高靈活性，在數(shù)字無(wú)線電領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷增長(zhǎng)。FPGA能支持各種設(shè)備需求，同時(shí)能夠根據(jù)客戶需求的發(fā)展變化不斷交付新功能。在這類(lèi)應(yīng)用中的許多案例中，F(xiàn)PGA緊鄰ASIC和ASSP器件放置，用于彌補(bǔ)其它器件欠缺的功能。

　　圖2說(shuō)明了綜合使用ASSP、FPGA和微處理器構(gòu)建的2x2的無(wú)線電設(shè)備。

　　ASSP一般適應(yīng)市場(chǎng)需求的速度較慢，這在它們?nèi)狈θ魏蜗馛PRI或JESD204這樣的串行接口技術(shù)可以看出。這就需要一個(gè)輔助器件，比如內(nèi)置有串行解串器的FPGA或使用外部串行解串器的低成本FPGA來(lái)完善設(shè)計(jì)。但這種設(shè)置需要大量的組件，從而導(dǎo)致PCB占位面積大，電源高度復(fù)雜，總功耗和成本都很高。

　　圖3所示的Zynq EPP采用雙ARM? Cortex?-A9處理器內(nèi)核（每個(gè)內(nèi)核的整數(shù)運(yùn)算性能高達(dá)2000MIPS）和一個(gè)雙精度浮點(diǎn)單元。處理器子系統(tǒng)包含存儲(chǔ)器控制器、千兆位以太網(wǎng)、UART和SPI/I2C等專用通信外設(shè)。緊鄰處理器子系統(tǒng)的是高性能可編程邏輯，其內(nèi)含500MHz DSP模塊、12.5Gbps串行解串器和大量的內(nèi)部RAM。多條低時(shí)延、高帶寬總線用于連接處理器子系統(tǒng)和可編程邏輯，同時(shí)共享存儲(chǔ)器接口可保證避免發(fā)生性能瓶頸。

　　圖4所示的是設(shè)備制造商如何利用Zynq實(shí)現(xiàn)當(dāng)今遠(yuǎn)程無(wú)線電裝置中的全部功能。

　　從圖5和圖6可以看出與現(xiàn)成的ASSP相比，這種架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)明顯的成本和功耗節(jié)約。這個(gè)示例假定信號(hào)帶寬為20MHz，有兩個(gè)發(fā)送和兩個(gè)接收路徑。Zynq還能夠支持更高的帶寬和更多數(shù)量的天線。

　　在2x2 20MHz LTE示例中，Zynq解決方案將功耗降低了高達(dá)50%，總材料成本相對(duì)等效ASSP設(shè)計(jì)降低了 35%~40%。另外，圖7還顯示，由于較圖2元組件數(shù)量減少，在提供圖4中相同的功能時(shí)，封裝面積可縮減達(dá)66%。

　　圖5 使用Zynq相對(duì)降低材料清單（BOM）成本

　　圖6 使用Zynq降低耗電

　　圖7 使用Zynq縮減封裝面積

　　使用Zynq還可以降低電源的復(fù)雜性和成本，同時(shí)提高無(wú)線電單元的可靠性?？煽啃缘奶岣吣軌驕p少對(duì)市場(chǎng)退貨相關(guān)的后期執(zhí)行費(fèi)用的影響，還能夠?qū)崿F(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)可靠性。另外降低功耗還能夠減少散熱，從而可以使用尺寸更小、重量更輕的散熱器和機(jī)械結(jié)構(gòu)。最后，Zynq解決方案能夠結(jié)合軟硬件靈活性，在設(shè)計(jì)后期才確定無(wú)線電單元的規(guī)范。這樣可以縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，降低風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)備出貨后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)還能支持新功能。