PTP微波和宽带卫星系统解决方案

为了寻求移动回程替代方案，无线服务提供商（WSP）采用了“解决方案工具箱”来满足4G/5G蜂窝基站的回程容量需求。科进解决方案工具箱包括有线和无线传输技术。对于许多回程部署方案，服务提供商认识到无线传输比有线媒体替代方案具有显着优势。然而，无线技术带来了一些独特的设计挑战。克服这些挑战需要专门的RFIC器件，这些器件可以帮助缩小设备尺寸、降低工作功耗、提高动态性能并延长平均故障间隔时间（MTBF）。

介绍

本应用笔记是两部分系列文章的第2部分，该系列讨论了部署在4G和5G异构网络（HetNets）中的无线移动回程系统。应用说明介绍了不同的设备类别和新兴设备细分市场趋势。他们还讨论了微波、毫米波和低于 6GHz 无线电在小型蜂窝和宏蜂窝基站中的应用。应用笔记还探讨了射频（RF）模拟集成和高性能RF构建模块的作用，重点是点对点微波系统和宽带卫星系统。

本系列的第 1 部分介绍了移动回程市场驱动因素、设备趋势以及跨蜂窝无线接入网络部署的不同回程解决方案的工具箱。它讨论了设备细分和设备配置。第 1 部分还介绍了注意事项和选择标准，以帮助指导回程解决方案决策过程。

本系列的第 2 部分重点介绍通常用于宏蜂窝和小型蜂窝基站无线回程的点对点微波和宽带卫星系统。第二部分讨论提高无线电链路频谱效率和无线电阵容方案的技术。第 2 部分还探讨了 RF 模拟集成和 RF 构建模块的作用，以及相关解决方案。

传统的点对点、视距微波系统

传统的点对点 （PTP）、视距 （LOS） 微波系统在从 C 波段到 Ka 波段的许可频谱中工作。常见的工作频段频率为 6GHz、11GHz、18GHz、23GHz、26GHz 和 38GHz。这些系统需要畅通无阻的LOS。

图1

显示了将宏蜂窝基站尾节点连接到聚合节点的PTP微波回程链路。对于小型蜂窝基站应用，一些微波设备供应商已经演示了使用传统LOS微波频段的非视距（NLOS）操作。这种NLOS操作是通过利用高天线增益特性和众所周知的衍射、反射和穿透电磁波传播效应的操作指南来实现的。

图1.PTP LOS 微波链路使用尾节点和聚合节点。这种方法允许远程基站访问核心网络。

常见微波回程配置

分体式安装单元 （SMU） 和全室外单元 （FODU） 代表了宏蜂窝基站应用中最常见的两种微波回程设备配置。SMU 配置包括两个独立的盒子：室内机（IDU）和室外机（ODU）。FODU是一个集成IDU和ODU功能的单一单元。FODU 和分体式 ODU 安装在塔顶，暴露在恶劣的环境条件和极端温度变化中。鉴于这种环境暴露，所有室外机必须安装在硬化外壳中（请参阅第 1 部分 [MN3]中的图 7）。

SMU无线电

在SMU系统中，IDU发送和接收两个不同的中低频（IF1），一个用于发射器（TX）通道，另一个用于接收器（RX）通道。IF1 通过 IDU 和 ODU 之间的同轴电缆布线。IDU 还处理 TDM 或以太网数据路由和传输。

在IDU，公共接收器IF1的范围为120MHz至140MHz，公共发射器IF1的范围为310MHz至350MHz（图2）。350MHz 和 140MHz IF以及直流电源通过IDU和ODU之间的同轴电缆布线。在 ODU 内的塔顶，在 L 波段或 S 波段合成第二个 IF （IF2），范围从 1GHz 到 4GHz。 然后，IF2 从所需的微波载波频率（RF OUT/IN）上变频或下变频，例如 26GHz 载波（图 3）。

 

图2.SMU无线电IF部分原理图中的IF信号路由。IDU/ODU 接收器 （RX） 显示在顶部;IDU/ODU 发射器 （TX） 位于底部。

图3.分体式 ODU 中微波上/下变频器部分的原理图。

佛度电台

在 FODU 配置中，整个无线电位于室外机内。高速串行接口，例如带以太网供电 （PoE） 的 1000BASE-T，连接 FODU 和基带单元（请参阅图 7，第 1 部分）或微波路由器。在某些小型蜂窝应用中，FODU可以通过PoE直接与小型蜂窝基站接口，其中小型蜂窝充当电源设备（PSE），FODU是用电设备（PD）。图4所示为典型的RF至比特®无线电收发器前端。

图4.具有PoE+的FODU射频到比特微波收发器的原理图。该收音机将被包裹在一个环境硬化的外壳中。

图4中的FODU配置基本上是一个位到RF和RF到位的盒子，它移动数字传输，通常是以太网，并处理所有调制/解调、模数/数模信号转换和上频/下频转换。FODU的频率阵容与SMU不同，因为FODU有两个上/下频转换级（IF1和RF输出/输入），而SMU需要三个上/下频转换级（IF1，IF2和RF输出/输入）。

通常，在FODU无线电阵容中，IF1的范围可以从1GHz到4GHz。 IF1分配由镜像抑制滤波器的复杂性和成本驱动，基于载波频率、通道带宽、图像分离和本振（LO）抑制。例如，在C波段应用中，载波范围为6GHz至8GHz，信道带宽可扩展至56MHz。因此，IF1可以低至1GHz，允许低Q值镜像滤波器实现必要的LO和镜像抑制。在工作频率为32GHz或38GHz的Ka波段应用中，IF1可能设置为4GHz，从而产生更宽的图像分离，有助于放宽镜像抑制滤波器要求。

更好的频谱效率增加容量

对于服务运营商而言，关键优先事项包括优化频谱利用率和实现最低的每比特传输成本。根据电信法规，服务运营商的 PTP 微波链路仅限于指定的信道大小或信道带宽，并收取商定的许可费。运营商可以许可更多的射频频谱以增加容量，但这会带来额外的费用。在许多情况下，可能无法获得更多的射频频谱。最终，需要一些先进的通信技术，以便在分配信道大小的限制下实现容量增益，但不增加额外的频谱许可成本。

为了在不使用更多无线电频谱的情况下提高频谱效率和系统吞吐量，可以使用三种常用技术：自适应调制、同信道双极化 （CCDP） 和空间复用 （SM）（图 5）。

图5.三种先进的数字通信技术，可提高频谱效率。

自适应调制动态改变调制星座，以便在不同的天气条件和不同的链路预算下实现最大吞吐量。这种方法具有两个关键优势：通过确保在恶劣条件下的无线电链路运行来保持服务质量，以及在带宽有限的信道中实现最高吞吐量。如Claude E. Shannon的经典定理所示，通信信道的容量由信噪比（SNR）和发射器功率定义。

自适应调制使用香农定理作为优化频谱利用率的蓝图。在晴朗的天气条件下，当无线电链路信噪比较高时，通过采用密集的QAM星座（如256QAM、1024QAM甚至4096QAM）来提高频谱效率和吞吐量。在恶劣天气条件下，随着SNR的降低，调制可以降低到16QAM或QPSK，以确保高优先级数据的链路操作，但吞吐量会降低。然而，当增加QAM星座密度时，在增益与增加成本、RF发射器功耗、更好的RF信号链线性度和更高的动态范围方面，收益会递减。随着QAM密度的每次增加（例如，64QAM，128QAM，256QAM），SNR或发射器功率需要增加3dB至4dB。同时，QAM 密度的每次增加都会使吞吐量提高约 10%。因此，总而言之，RF信号链性能必须翻倍，才能实现10%的吞吐量增量增益。因此，需要另一种方法来显着提高频谱效率并实现更高的容量增益。

CCDP 利用交叉极化干扰消除 （XPIC） 在同一信道上使链路容量翻倍。使用 CCDP-XPIC，您可以在同一频率上同时传输两个独立的数据流。数据在正交天线极化（垂直和水平）上传输，并使用数字信号处理消除交叉极化干扰。

SM 显著提高了频谱效率。SM 使用多输入多输出 （MIMO） 天线通过同一射频信道发送多个数据流。2×2 MIMO 链路可以使容量翻倍。带 MIMO 的 SM 用于许多无线应用，包括 LTE 接入和 802.11n/ac WLAN，它依赖于多路径干扰并利用反射引起的空间传播路径。但是，有一个小的并发症需要注意。LOS微波链路的性质不表现出多径，因此通过有意的天线分离来模拟多径条件，从而产生伪多径条件。

虽然将自适应调制与CCDP和MIMO技术相结合可以带来可观的容量增益，但必须考虑一些权衡。2×2 MIMO 无线电需要两条收发器路径（两个发射器和两个接收器），每个收发器专用于单个天线。CCDP无线电需要两条收发器路径，一个收发器专用于每个天线极化。但是，采用 2×2 MIMO 和 CCDP 需要四条射频收发器路径（图 6）。RF信道密度增加4倍带来了一个主要优势：在不使用更多RF频谱的情况下，链路吞吐量提高了4倍。在设备生命周期内摊销，额外无线电硬件的额外成本被每年频谱许可费用的显着节省所抵消。

图6.使用 CCDP 进行空间复用可提高射频信道密度。

支持热备冗余

采用 2×2 MIMO 的另一个优点是满足支持热备用 （HSB） 冗余的要求。PTP 微波系统支持 HSB，基本保护为 1+1 HSB。因此，使用两个无线电，一个主无线电和一个备用无线电。如果主无线电发生故障，则辅助备份无线电将接通。HSB 是 2×2 MIMO 无线电架构所固有的。 HSB 的目的是在延长的平均故障间隔时间 （MTBF） 期间提供五个 9 （99.999%） 的可用性。至少在某些情况下，预期的MTBF期限可能长达五年。由于无线电链路和安装位置的关键性质，需要这种级别的持续 24/7 保护。毕竟，无线回程设备可以是关键任务公共安全无线电链路的一部分，也可以位于支持许多移动用户的宏蜂窝基站站点、必须安排维护的塔顶位置或难以到达的远程基站站点。

考虑到 2×2 MIMO CCDP 1+1 HSB 需要四个无线电收发器通道。此外，随着调制星座从256QAM增加到4096QAM，需要更好的无线电动态性能来实现所需的误码率（BER）和误差矢量幅度（EVM）裕量。最终，无线回程演进提高了RF信号路径通道密度，同时提高了对更高动态性能的期望。这意味着RF工程师对增加模拟集成的新要求。

小型RF解决方案推动了对模拟集成的需求

对不牺牲性能或可靠性的小型RF解决方案的需求推动了对更高模拟集成度的需求。回想一下上面的第一个中频发射器部分。在FODU发射器中，第一个IF的范围可以在1GHz到4GHz之间。在SMU发射器中，第一个IF的范围为310MHz至350MHz。还要考虑到自适应调制支持从QPSK到4096QAM的星座，并且根据应用的不同，信道带宽可能在3.5MHz至112MHz之间变化。这些因素共同决定了软件定义的无线电拓扑结构，该拓扑支持基于通用发射器架构平台的必要EVM动态性能。

用于微波PTP平台的多功能RF-DAC发射器

在设计第一个中频发射器级时，有多种无线电架构可供选择，包括零中频、复中频、实中频和直接射频。但是，如果微波PTP发射器平台必须支持高阶调制、宽带宽、软件定义无线电功能、低功耗和紧凑尺寸，该怎么办？目前，最好的架构是使用具有直接数字合成（DDS）的RF数模转换器（RF DAC）进行直接RF转换。图7所示为直接RF发送器，使用MAX5879 RF DAC合成2GHz的IF。

RF-DAC发射器非常有用，因为它可用于分体式室内机，直接合成350MHz IF。它还可用于FODU中，直接合成高达2.8GHz的IF，作为跨越不同设备配置的通用发射器平台。

RF-DAC 发射器需要的分立器件更少，占用的印刷电路板 （PCB） 面积也相当小（图 7）。这种空间节省对于空间受限的MIMO和CCDP无线电至关重要。

基于DDS的RF-DAC发射器架构消除了增益相位误差，实现了完美的载波抑制，无LO泄漏。这对于满足以低 BER 传输具有密集星座（如 QAM-2048）的高阶调制信号所需的严格 EVM 要求非常重要。

与传统架构相比，RF-DAC每通道功耗降低约1W。在 FODU 无线电中使用 2×2 MIMO 和 CCDP 并由 POE+ 供电，这意味着节能 4W，或 POE+ 功率预算的 15%。此外，较低的工作功率意味着更少的散热，这对于承受接近40°C的极端高温的被动冷却室外机来说是一个关键问题。

图7.复中频与支持 CCDP 或 2×2 MIMO 的射频 DAC 发射器的 PCB 面积比较。RF DAC发射器（右）显著减少了PCB面积和元件数量。AQM = 模拟正交调制器;LO = 本振（PLL/VCO 频率合成器）;VGA = 可变增益放大器;I/Q滤波器=多极，差分。图表不缩放。

关键射频构建模块

密集的RF模拟集成对于缩小尺寸和减少元件数量非常重要，但仍有许多无线电功能依赖于RF构建模块。如图2、图3和图4所示，IF部分和微波上/下频转换部分代表两个需要多个关键模拟功能的RX-TX区域。两个必需的电路功能是锁相环（PLL）频率合成器和可变增益放大器（VGA）。

锁相环频率合成器

在RX和TX信号路径的IF部分，PLL频率合成器产生混频LO和100MHz至4GHz的高速ADC/DAC转换时钟。常用器件必须集成VCO和小数/整数n分频PLL，并提供宽频率覆盖范围。MAX2870/MAX2871是常用选择。

在RF微波部分，PLL频率合成器用于为基波混频器或次谐波泵浦混频器产生高频LO。LO频率范围为6GHz至12GHz，具体取决于最终载波频率。通常使用带有外部VCO的PLL，如MAX2880。

两种PLL频率合成器应用都需要出色的相位噪声和杂散性能，这直接影响系统容量。如上所述，PTP微波无线电可以使用高达2048QAM或4096QAM的调制星座来实现高频谱效率并提供高吞吐量。需要不会显著降低EVM的PLL频率合成器相位噪声容限和杂散性能来支持密集调制星座。这样可以保留无线电链路SNR，并允许系统实现最大容量和吞吐量。图8所示为fOUT = 12GHz时MAX2880的相位噪声性能。MAX2880在20MHz的集成带宽和整数n模式设置下，可实现-43.6dB的EVM。对于 2048QAM 无线电阵容，这意味着 EVM 仅下降 0.6dB，信噪比裕量为 +10dB。

图8.相位噪声是LO应用中重要的PLL频率合成器性能指标。为简单起见，MAX2880的低通滤波器中排除了用于滤波、交流耦合和阻抗匹配的无源R-C元件。

PLL频率合成器的一个重要特性是独立的双通道RF输出，可以设置为不同的功率电平和输出频率。此功能有助于从单个器件生成LO和高速转换器（ADC或DAC）转换时钟。在IF = 1.9GHz和56MHz通道带宽的零中频RX架构示例中，模拟正交解调器LO可以设置为1.9GHz，LO驱动电平为+2dBm;高速ADC时钟设置为118.7MHz （16分频），频率为+5dBm。使用MAX2871等具有独立双RF输出端口和独立输出功率电平的器件，可以省去额外的频率合成器、LO缓冲器和时钟缓冲器。在系统层面，您可以降低成本，并从更小的占用PCB面积中受益。

确保 RX 和 TX 路径中的信号电平正确

在PTP微波无线电中，自动发射功率控制（ATPC）是一项关键功能。ATPC用于在衰减事件期间提高发射器功率电平，从而在不利的环境条件下保持链路质量。该功能还可以降低对相邻通道的干扰。ATPC 可与自适应调制结合使用，以根据所需的调制更改发射器功率电平。这提供了一种优化电源回退和动态设置各个调制星座的方法。ATPC 通过保持足够的 SNR 来提高链路可用性，并通过降低平均工作功耗来节省能源。 ATPC 的准则是高达 20dB 的动态范围，步长为 1dB，跟踪速度为 100dB/s。通常，发射器输出功率容差为±1dB。当与自适应调制一起使用时，增益范围必须覆盖额外的8dB至10dB，以补偿QPSK至4096QAM不同调制情况下的PA回退。

VGA 是 ATPC 操作和整个信号链系列的重要组成部分，可确保 RX 和 TX 路径中的信号电平正确。在SMU的TX路径中，VGA对于补偿电缆损耗和均衡也很重要。高线性度过热、宽带性能和集成报警电路的线性dB控制是ATPC应用VGA的主要特性。图9显示了宽带VGA如何使用专有技术在-40°C至+95°C的温度范围内实现高度线性的控制电压响应。在整个温度范围内的高线性度对于承受宽工作温度极端影响的 FODU 无线电至关重要。请注意，该器件的工作频率为 700MHz 至 2.7GHz。该范围可在中频时实现部分功率控制，并在射频下支持全ATPC（即从6GHz到40GHz）。增强中频的功率控制需要另外10dB至15dB的VGA动态范围，以补偿后续RF级的损伤。损伤包括插入损耗、增益变化和元件温度漂移。同样在SMU应用中，VGA可能需要提供6dB的电缆损耗补偿。这就是为什么示例VGAMAX2092具有高达40dB的动态范围和+18dBm P1dB（即ATPC范围= 6dB;调制回退= 8dB;损伤补偿= 10dB'电缆损耗补偿=6dB;总VGA范围= 30dB）。

图9.VGA的一个重要特性是在宽工作温度范围内具有高线性度，具有精确的线性dB电平控制（如左侧的性能曲线所示）。VGA与MAX2092一样，是用于ATPC应用和RX-TX信号电平的常用RF构建模块。

甚小口径终端卫星回程

商业卫星系统使用甚小孔径终端 （VSAT） 经济高效地传输电话、宽带接入和视频内容。VSAT 系统部署在企业级专用网络、消费者宽带服务和蜂窝基站回程中。在蜂窝基站回程应用中，VSAT系统是远程小型蜂窝站点的理想选择。图10显示了基站回程应用中使用的典型VSAT系统。

图 10.带有宽带VSAT系统的卫星回程将远程小型蜂窝基站连接到核心网络。

路由器和网关VSAT终端是地面单元，具有与C/Ka/Ku波段卫星的双向通信链路。卫星可以位于地球同步轨道（GEO）或中地球轨道（MEO）。地面VSAT天线的尺寸从75厘米到3米不等。 因为它们是由有限的能源供电的，所以轨道卫星受到能量限制。因此，卫星下行链路信道的发射机功率有限。该链路也容易受到大气损失的影响，因为地球同步卫星的轨道距离地面终端30公里。因此，无线电链路以低信噪比运行。为了在低信噪比下以可接受的误码率实现所需的数据吞吐量，VSAT 系统使用具有相对低阶调制的宽信道带宽，例如 QPSK、8PSK 或 16APSK。

传统卫星占据500MHz至1GHz的频谱，包括多个转发器，带宽为27MHz，36MHz或54MHz。新一代高通量卫星（HTS）在Ka波段运行，那里有更多的射频频谱可用。Ka波段卫星可以有多达120个单独的点波束，达到150Gbps的容量。HTS Ka波段系统使用带宽高达500MHz的宽转发器通道。 ODU和IDU是VSAT系统中的两个主要无线电元件。拓扑类似于微波点对点SMU。ODU 位于天线天线上，处理 C/Ka/Ku 波段微波载波（6/4GHz、14/12GHz、30/20GHz）到 L 波段中频（IF = 925MHz 至 2175MHz）的块频率转换。IDU 处理从 L 波段 IF 到基带的上/下频率转换。

VSAT应用的无线电解决方案

图11显示了工作在Ku频段的典型ODU微波上/下变频器。ODU 包括两个模块：低噪声模块 （LNB） 接收器和模块上变频器 （BUC） 发射器。与微波PTP回程无线电一样，基波和次谐波泵浦混频器与PLL频率合成器一起使用。在LNB和BUC以固定频率工作且频率漂移不是问题的应用中，PLL可以用介电谐振器振荡器（DRO）代替。DRO 的典型频率漂移范围为 ±1 ppm/°C 至 ±4 ppm/°C。对于工作在-10°C至+45°C温度范围的10GHz设计，这相当于550kHz至2.2MHz的频率漂移。这种频率随温度的变化可能是室外机的问题，这些室外机受到宽工作温度的极端或单通道每个载波系统的影响。即便如此，在许多VSAT应用中，DRO是PLL频率合成器的低成本替代方案。

图 11.模拟射频构建模块在VSAT ODU微波无线电中起着重要作用。在这里，LNB 和 BUC 依靠 PLL 频率合成器和高线性度 VGA 在极端温度范围内实现稳定的性能。

IDU VSAT终端需要宽带频率覆盖和高动态范围，并选择性调谐到所需的转发器通道。对于宽带VSAT调谐器，主要特性包括高动态范围VGA;使用多个VCO进行LO调谐的小数n分频频率合成器;以及具有可变带宽控制的基带I/Q滤波器。图12所示为直接变频宽带VSAT调谐器。

图 12.基于直接变频收发器架构的VSAT室内机（IDU）

宽带调谐器具有925MHz至2175MHz的宽带频率覆盖范围，以支持L波段ODU输出频谱。LO由集成的20位小数n分频频率合成器产生，调谐分辨率低至26Hz。内部低通滤波器可在 4MHz 至 40MHz 范围内编程，涵盖所有常见的转发器通道带宽。VGA级提供超过80dB的增益范围，以考虑下行链路路径损耗效应，如雨水褪色、树叶遮挡、极化损耗和天线去指向损耗。

专为商用VSAT系统设计的ODU和IDU无线电利用高度集成的专用模拟半导体，并辅以高性能RF构建模块。这种组合提供了宽带卫星回程应用所需的尺寸、成本和性能要求。为了获得更高的数据吞吐量，下一代甚小口径终端系统将利用在Ka波段运行的超导卫星，在该波段有更多的频谱可用。这一进步反过来又推动了对新型RF-模拟解决方案的需求，这些解决方案能够满足新兴小型蜂窝回程部署的带宽、动态性能、尺寸和成本要求。

结论

4G蜂窝网络正在向HetNet拓扑演进，宏蜂窝基站、不同类别的小型蜂窝基站和分布式天线系统之间的接入层协调。HetNet 部署可提高网络容量和覆盖范围，为移动宽带用户提供更高的数据吞吐量和卓越的体验质量。与此同时，回程传输正在成为将移动用户、无线接入网络和核心网络结合在一起的关键 HetNet 元素。无线回程是无线服务提供商回程“工具箱”中的重要工具，未来几年将更多地依赖5G接入。

PTP微波和宽带卫星技术是部署在无线接入网络中的两种常见无线回程替代方案。随着基站容量和吞吐量的增加以支持不断增长的移动数据需求，回程容量也必须增加。随着基站尺寸和功率的减小，回程解决方案也必须减小。因此，无线回程系统将继续依靠RF模拟集成和RF构建模块解决方案来实现高频谱效率、更小的外形尺寸和更低的工作功耗。

审核编辑：郭婷