塑造新的eNode發(fā)射器架構(gòu)：模擬集成挑戰(zhàn)

模擬集成在應(yīng)對LTE-Advanced無線電工程師面臨的新挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著重要作用。第三代合作伙伴計劃（3GPP）正在開發(fā)LTE-Advanced標準的第3版（Rel-12）。12GPP Rel-3 包括對 12G 無線接入技術(shù)的許多增強功能，包括寬帶載波聚合、多層空間復(fù)用和高級天線配置。Rel-4增強功能將挑戰(zhàn)無線電設(shè)計人員集成更多的RF發(fā)射器通道，從而實現(xiàn)更小，更低功耗和更高性能的eNodeB基站。射頻模擬集成和顛覆性無線電架構(gòu)的進步可以幫助工程師成功克服集成挑戰(zhàn)。

介紹

本應(yīng)用筆記系列分為兩部分，回顧了第四代長期演進（4G-LTE）蜂窩標準的新發(fā)展。該系列探討了LTE-Advanced （LTE-A） Release-12 （Rel-12）功能以及對eNodeB射頻（RF）發(fā)射器的影響。應(yīng)用筆記揭示了模擬集成如何克服最新4G開發(fā)帶來的設(shè)計挑戰(zhàn)。每個應(yīng)用筆記的末尾都附有技術(shù)術(shù)語表。

關(guān)于技術(shù)演進的第1部分應(yīng)用說明探討了推動全球采用LTE標準的市場力量以及第四代（4G）無線接入技術(shù)的趨勢。讀者將了解第三代合作伙伴計劃 （3GPP） Rel-3 規(guī)范中概述的工作項。主題包括載波聚合 （CA）、下行鏈路空間復(fù)用和有源天線系統(tǒng) （AAS）。

本應(yīng)用筆記第2部分探討了4G基站中的模擬集成挑戰(zhàn)。Rel-12 特性，如寬帶下行鏈路載波聚合、下行鏈路多輸入多輸出 （MIMO） 空間復(fù)用和帶嵌入式射頻的 AAS，為下一代 eNodeB 無線電帶來了新的設(shè)計挑戰(zhàn)。引入了一種顛覆性的比特到RF解決方案，可以幫助工程師塑造替代無線電發(fā)射器架構(gòu)。討論的重點是新型RF數(shù)模轉(zhuǎn)換器（RF-DAC）技術(shù)，該技術(shù)可產(chǎn)生單芯片寬帶RF發(fā)射器解決方案。讀者將了解RF-DAC的系統(tǒng)級應(yīng)用及其為eNodeB無線電設(shè)計帶來的集成優(yōu)勢。

概述

關(guān)于LTE和LTE-A Rel-12背景的一些要點必須從第1部分應(yīng)用筆記中總結(jié)出來。這個簡短的題外話將是引導(dǎo)讀者應(yīng)對最新4G發(fā)展帶來的設(shè)計挑戰(zhàn)的最佳方式。

LTE被公認為發(fā)展最快的移動寬帶技術(shù)，并成為全球采用最廣泛的蜂窩標準。無線服務(wù)提供商在全球范圍內(nèi)采用LTE的速度已經(jīng)超過了之前的2G和3G部署。LTE的普及主要是由于其高頻譜效率和高峰值數(shù)據(jù)速率，基于IP的低延遲網(wǎng)絡(luò)和演進路線圖。但LTE不是“真正的4G”服務(wù)，從技術(shù)上講仍被認為是3.9G。

被稱為國際移動通信高級（IMT-Advanced）的“真正的4G”無線電通信標準必須滿足國際電信聯(lián)盟無線電部門（ITU-R）規(guī)定的要求。IMT-Advanced將4G定義為一種服務(wù)，可為高移動性用戶提供100Mbps峰值數(shù)據(jù)速率，為低移動性客戶端提供1Gbps峰值數(shù)據(jù)速率。為了符合IMT-Advanced的愿景，自3年發(fā)布最初的LTE Rel-8標準以來，2008GPP已經(jīng)開發(fā)了許多增強功能。

在Rel-10中，3GPP將LTE-Advanced作為“真正的4G”服務(wù)引入，以滿足或超過IMT-Advanced的要求。目前，Rel-12已接近推出，計劃于2015年1月進行功能凍結(jié)。圖10顯示了LTE開發(fā)時間表，可以看出理論上的峰值下行鏈路（DL）和上行鏈路（UL）數(shù)據(jù)速率分別提高了約20倍和300倍，從Rel-75中的DL = 8Mbps / UL = 3Mbps增加到Rel-1中的DL = 5Gbps / UL = 10.10Gbps。峰值數(shù)據(jù)速率的顯著提高部分是由于寬帶CA與Rel-12中引入的多層空間復(fù)用相輔相成，現(xiàn)在是Rel-<>增強功能的重要組成部分。

圖1.LTE發(fā)布時間表顯示了無線接入技術(shù)的演進進步。

Rel-12增強功能將顯著影響演進的NodeB（eNodeB）無線電的設(shè)計方式。一些重要的 Rel-12 項目包括載波聚合的新組合、下行鏈路 MIMO 的空間多路復(fù)用增強以及 AAS 所需的射頻要求。圖 2 總結(jié)了 Rel-12 的一些項目及其各自的功能和優(yōu)點。Rel-12 功能增強為 LTE 生態(tài)系統(tǒng)帶來了許多好處，同時也帶來了新的無線電設(shè)計和無線電架構(gòu)挑戰(zhàn)。

圖2.發(fā)行版 12 工作項的功能和優(yōu)點。

宏基站中的射頻發(fā)射器集成挑戰(zhàn)

在4G宏蜂窩基站中，與2G/3G基站相比，采用具有多層空間復(fù)用的下行鏈路MIMO或部署具有嵌入式RF的AAS可以將發(fā)射器信道密度分別提高3倍或32倍。在不久的將來，使用多列450D天線陣列，每個扇區(qū)的無線電信道數(shù)可能會增加到2個或更多。使eNodeB信道密度趨勢更加復(fù)雜的是對寬帶頻率捷變發(fā)射機的要求。通用硬件 eNodeB 無線電平臺必須支持 2MHz 至 7.41GHz 的 LTE 頻段覆蓋，并具有 Band-100/Band-<> 覆蓋路線圖，并支持高達 <>MHz 的 CA 帶寬。顯然，需要技術(shù)顛覆，以促進多通道、高性能無線電發(fā)射器集成到空間受限、功率受限和成本敏感的應(yīng)用中，如遠程無線電單元、集成天線無線電、AAS 和傳統(tǒng)基站收發(fā)器 （BTS） 線卡。

射頻 DAC 發(fā)射器解決方案

使用高速RF DAC進行直接比特到RF轉(zhuǎn)換是eNode發(fā)射器的技術(shù)顛覆。RF-DAC 分區(qū)使用直接數(shù)字頻率合成 （DDS） 將正交調(diào)制器、捷變本振和信號濾波模擬功能移入數(shù)字域（圖 3）。帶DDS分區(qū)的RF DAC利用摩爾定律。它利用了這樣一個事實，即數(shù)字工藝在功耗更低、速度更快、芯片面積更小、成本更低方面比模擬工藝擴展得更好。然而，只有實現(xiàn)從數(shù)字域到模擬域的直接信號轉(zhuǎn)換，才能實現(xiàn)摩爾定律的好處。RF DAC是使之成為可能的技術(shù)，因為它橋接了數(shù)模域。RF DAC通常被描述為一種混合信號器件，在多個奈奎斯特區(qū)工作，轉(zhuǎn)換速率高于1.5Gsps，以執(zhí)行直接位到RF信號合成。RF DAC在500.2GHz或更高的載波頻率下合成至少0MHz信號帶寬的輸出信號。

圖3.圖中顯示了RF發(fā)送器架構(gòu)從傳統(tǒng)的復(fù)中頻產(chǎn)品陣容（頂部）轉(zhuǎn)向單芯片RF DAC方案（MAX5868，底部）。

射頻 DAC 發(fā)射器的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的RF發(fā)射器架構(gòu)（圖4）相比，如零中頻（Zero-IF）、復(fù)中頻和實中頻，RF-DAC架構(gòu)解決方案占用的印刷電路板（PCB）面積更小，物料清單（BOM）元件更少。它以較低的功耗運行，并提供出色的動態(tài)性能。

圖4.射頻發(fā)射器架構(gòu)選項。

在RF性能方面，RF DAC與其他拓撲相比具有顯著優(yōu)勢。在DDS中實現(xiàn)的數(shù)字上變頻（DUC）消除了增益相位誤差，并在無LO泄漏的情況下實現(xiàn)了完美的載波抑制。結(jié)果是在傳輸高階調(diào)制（如 QAM64）時具有出色的 EVM 性能。正交NCO使RF DAC成為能夠在整個LTE頻段頻譜上進行調(diào)諧的敏捷發(fā)射器。由于RF DAC具有寬帶和頻率捷變性，具有高動態(tài)范圍，因此單個器件可以合成多載波、多頻段和多標準信號，包括GSM、WDMA和LTE?，F(xiàn)在，設(shè)計人員可以實現(xiàn)全數(shù)字軟件定義無線電，并在多個eNodeB無線電平臺上使用通用硬件。

直接變頻RF-DAC技術(shù)的另一個好處是，它允許工程師使用成本較低的數(shù)字預(yù)失真（DPD）觀測接收器。宏蜂窩基站使用 DPD 技術(shù)進行射頻功率放大器 （PA） 線性化。這需要一個PA觀察接收器通道，如圖3所示，來監(jiān)控PA輸出。觀察接收器檢測PA失真產(chǎn)物，并與預(yù)失真器配合使用，以補償互調(diào)和相鄰?fù)ǖ缆╇姽β?。通常，DPD帶寬擴展要求DPD觀測接收器帶寬是數(shù)據(jù)帶寬的五倍。在100MHz CA應(yīng)用中，這意味著DPD帶寬必須至少為500MHz。此外，觀測接收器無法向觀測信號添加損傷，因為它們無法從主TX路徑損傷中辨別出來。因此，DPD觀察路徑必須具有出色的線性度，這會增加成本和電路復(fù)雜性。相反，如果主TX路徑的損傷可以忽略不計，則可以糾正DPD路徑損傷。

回想一下，RF-DAC不會引入增益或相位誤差，因此TX路徑損傷可以忽略不計。因此，可以采用低成本和低性能的DPD接收器，如零中頻（ZIF）接收器。與高中頻或直接RF采樣相比，ZIF架構(gòu)成本更低有三個原因：（1）正交解調(diào)可實現(xiàn)較低的轉(zhuǎn)換速率、基帶采樣、雙通道高速ADC，因為它只需要量化DPD擴展帶寬的一半;（2）ADC采樣基帶信號，而不是高中頻或直接RF，這意味著ADC不需要皮微或毫微秒孔徑抖動;（3）與IF或RF濾波器相比，基帶I/Q抗混疊濾波器成本更低，設(shè)計更易于設(shè)計?？傊琑F-DAC發(fā)射器放寬了DPD接收器的信號路徑性能要求;從而進一步降低系統(tǒng)成本和設(shè)計復(fù)雜性。

MIMO 應(yīng)用中的 RF-DAC

LTE Rel-8 在用戶設(shè)備 （UE） 類別 2 至 2 中建立了對 2x4 MIMO 的支持。UE類別表示用戶設(shè)備可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率的能力。Rel-8還引入了4x4 MIMO，以實現(xiàn)15位/秒/赫茲的下行頻譜效率，并提供300Mbps的峰值數(shù)據(jù)速率。Rel-10 通過 8x8 MIMO 對此進行了擴展，以實現(xiàn) 30 位/秒/Hz 效率和 3Gbps 下行鏈路數(shù)據(jù)速率。Rel-12 為 MIMO 天線方案引入了進一步的增強功能。

MIMO 的采用可以被視為 eNodeB 無線電發(fā)射機信道倍增器。請注意，8x8 MIMO 的無線電信道密度是 4x4 MIMO 的兩倍，是 2x2 MIMO 密度的四倍。這可以稱為“MIMO乘法效應(yīng)”。隨著 4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到支持多種天線配置，MIMO 發(fā)射器通道的數(shù)量將成倍增加。MIMO 倍增效應(yīng)使電路尺寸成為 eNodeB 發(fā)射器的關(guān)鍵設(shè)計因素。

圖5比較了2X2 MIMO應(yīng)用中典型零中頻發(fā)射器與RF DAC發(fā)射器的PCB面積。RF DAC系列是一個明顯更小的解決方案;它通常占用的PCB面積減少60%，元件數(shù)量減少75%。RF DAC使設(shè)計人員能夠在不增加PCB面積的情況下提高無線電發(fā)射器通道密度。通過集成，它降低了BOM成本并減少了庫存。此外，這種低元件數(shù)解決方案最大限度地減少了IC互連的數(shù)量，從而降低了走線布線的復(fù)雜性并放寬了元件放置要求。設(shè)計人員將獲得PCB布局靈活性，提高首次設(shè)計成功的可能性，縮短上市時間縮短設(shè)計時間，并通過更少的潛在故障點獲得更高的可靠性。

圖5.2x MIMO零中頻發(fā)送器和MAX5868 RF DAC發(fā)送器之間的PCB面積比較注意：AQM = 模擬正交調(diào)制器;LO = 本振（PLL/VCO 頻率合成器）;VGA = 可變增益放大器;I/Q濾波器=多極，差分。圖表不是按比例縮放的。

如上所述和圖5所示，RF-DAC在2x2 MIMO應(yīng)用中的優(yōu)勢令人印象深刻。在 8x8 MIMO 應(yīng)用中應(yīng)用 “MIMO 乘法 效應(yīng)” 可 發(fā)現(xiàn) RF-DAC 架構(gòu) 的 顯著 優(yōu)勢。RF-DAC 發(fā)射器在實現(xiàn)這種 PCB 面積減小方面無與倫比，使其成為 eNodeB 應(yīng)用的理想 MIMO 發(fā)射器解決方案。

用于下行鏈路載波聚合的RF DAC

單個RF DAC發(fā)射器可以在一個頻段或多個頻段內(nèi)合成五個20MHz分量載波，支持帶內(nèi)或帶間CA。 圖6顯示了40MHz帶間Rel-12 CA場景，RF DAC合成兩個20MHz分量載波，一個位于頻段1（2110MHz至2170MHz），另一個位于頻段3（1805MHz至1880MHz）。在此CA應(yīng)用中，單個RF DAC同時合成60MHz頻段-1和75MHz頻段-3頻譜內(nèi)的分量載流子。由于RF DAC是超寬帶的，因此RF輸出跨越從365MHz到1805MHz的整個2170MHz帶間間隔。

圖6.載波聚合場景，MAX5868 RF DAC同時合成兩個載波分離為20MHz的365MHz分量載波。

前面描述的傳統(tǒng)架構(gòu)（即ZIF、complex-IF和real-IF）無法通過單個設(shè)備提供這種級別的寬帶性能。例如，支持圖6（CA_1C_3C）中所述的帶間非連續(xù)CA場景的傳統(tǒng)窄帶發(fā)射器需要兩個完整的RF信號路徑陣容。每個信號路徑由多個帶濾波功能的RFIC器件組成。每個信號路徑專用于單個分量載波（CC1 和 CC2）。代價是設(shè)備數(shù)量增加一倍，PCB尺寸更大。

或者，例如，傳統(tǒng)的寬帶中頻發(fā)射器只需要一個RF信號鏈系列，但包含多個器件：高中頻DAC、中頻濾波器、混頻前置放大器、上變頻混頻器和LO合成器。此外，由于寬帶混頻器的線性度要求，所有LTE頻段的覆蓋范圍成為設(shè)計障礙。Real-IF系列必須使用特定頻段的混頻器來覆蓋460MHz至2.2GHz的LTE頻段，或者使用具有超高線性度的單個高功耗寬帶混頻器。與RF-DAC解決方案相比，這兩種方法都需要更多的硬件并占用更多的PCB面積。

因此，對于下行鏈路CA應(yīng)用，寬帶RF DAC發(fā)射器的重要系統(tǒng)級優(yōu)勢包括：LTE頻段覆蓋范圍高達2.2GHz，IC器件明顯減少，沒有IF或基帶模擬濾波器，以及占用盡可能小的PCB面積。

射頻 DAC AAS 設(shè)計示例

案例研究重點介紹了AAS設(shè)計中典型的RF DAC發(fā)送器應(yīng)用。如前所述，具有嵌入式RF的AAS為每個交叉極化天線元件專用于無線電收發(fā)器。以具有16個交叉極化元件的雙柱并排天線陣列為例。共有16個帶DPD（2DPD）的雙通道RF收發(fā)器（2T2R），如圖7所示。

圖7.裝配圖顯示了由16個交叉極化天線元件組成的有源天線系統(tǒng)的尺寸。

每個收發(fā)器中的TX信號路徑都有自己的RF PA，通常為5W，總功率輸出為80W。高頻段天線尺寸為 305 毫米（寬）x 1270 毫米（長）x 178 毫米（深）。天線內(nèi)部電子設(shè)備的可用面積小于2062平方厘米。在允許機械間隙后，16 個收發(fā)器（包括其電源管理、所有測量/控制功能和射頻雙工器）中的每一個都需要占用大約 130 平方厘米的 PCB 面積（圖 8）。

圖8.每個AAS無線電收發(fā)器（2T2R+2DPD）必須占用約130平方厘米。

從本質(zhì)上講，一個完整的2T2R+2DPD eNodeB無線電收發(fā)器必須縮小到典型鞋盒的一半。為了克服這種尺寸限制，其明顯的密集RF集成是下一代AAS無線電的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。此外，在AAS應(yīng)用中，功耗和散熱變得至關(guān)重要，因為RF收發(fā)器通道數(shù)高，天線單元被動冷卻，系統(tǒng)暴露在室外高溫下。RF DAC發(fā)射器的功耗比傳統(tǒng)架構(gòu)低約1W。由于天線有 32 個物理發(fā)射器通道，因此每個 TX 通道節(jié)省 1W 的功率相當(dāng)于每個天線系統(tǒng)節(jié)省 32W 的功率。這種節(jié)能和減少的散熱在室外塔式AAS安裝中非常重要，其中緊湊的尺寸和高可靠性至關(guān)重要。對于AAS應(yīng)用，RF DAC發(fā)射器可顯著節(jié)省功耗并大幅減小尺寸，同時提供前面描述的所有系統(tǒng)級優(yōu)勢。

結(jié)論

未來五年，移動數(shù)據(jù)流量和移動寬帶用戶數(shù)量預(yù)計將呈指數(shù)級增長。多媒體廣播、高清視頻和文件共享等新的帶寬密集型移動服務(wù)將增加對更高峰值數(shù)據(jù)速率的需求。但可用的蜂窩頻譜既有限，又是必須有效利用的寶貴資源。此外，為了保持競爭力，移動網(wǎng)絡(luò)運營商必須以最低的每比特成本提供最高質(zhì)量的服務(wù)。對于長期盈利能力，LTE-Advanced顯然是無線服務(wù)提供商的首選投資。3GPP Rel-12中概述的無線接入技術(shù)解決了服務(wù)提供商維持4G移動寬帶需求所需的峰值數(shù)據(jù)速率、頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)效率問題。然而，寬帶CA、帶嵌入式RF的AAS和高階下行鏈路MIMO給eNodeB無線電設(shè)計人員帶來了新的集成挑戰(zhàn)。

射頻模擬集成對于克服4G基站中的無線電集成挑戰(zhàn)至關(guān)重要。新型RF DAC直接變頻發(fā)射器是一種技術(shù)顛覆，與傳統(tǒng)解決方案不同;它為無線電工程師提供了塑造替代eNode發(fā)射器架構(gòu)的方法。與傳統(tǒng)的RF發(fā)送器相比，像MAX5868這樣的RF DAC降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性，占用的PCB面積更小，功耗更低，LTE頻段覆蓋高達2.2GHz，具有超寬帶性能。為了成功部署LTE-Advanced Rel-12功能，每個參數(shù)對于下一代eNode發(fā)射器都至關(guān)重要。

審核編輯：郭婷