RF转换器为下一代无线基站提供高效的多频段无线电

摘要

为了支持不断增长的无线数据需求，现代基站无线电设计被设计为支持多个E-UTRA频带以及载波聚合技术。这些多频段无线电采用下一代GSPS RF ADC和DAC，可实现频率捷变，直接RF信号合成和采样技术。为了应对RF无线频谱的稀疏性质，复杂的DSP用于有效地处理数据比特到RF并再次返回。一个示例直接RF发射器被描述用于多频带应用，考虑DSP配置和功率与带宽的关闭。

简介 - 10年，10个频段，100倍数据速率

智能手机革命开始已经10年了，当时Apple发布了原版iPhone ® 2007年。后来的10年和两代无线标准 - 很多都发生了变化。也许没有像标题抓住消费者智能手机（称为用户设备（UE））一样迷人，无线接入网络（RAN）的基础设施基站（eNodeB）经历了自己的转型，使我们现在连接的数据泛滥世界。蜂窝频段增加了10倍，而数据转换器采样率增加了100倍。这给我们带来了什么？

多频段无线电和频谱的有效利用

从2G GSM到4G LTE，蜂窝频段的数量已经爆炸10倍-from随着LTE网络的出现，基站供应商发现自己的无线电变种倍增。 LTE-advanced通过向混合添加载波聚合来增加多频带无线电的要求，从而在同一频带内或更重要的是，在不同频带内的非连续频谱可以作为单个流在基带调制解调器中聚合。

但是，RF频谱很稀疏。图1显示了几个载波聚合频带组合，突出了稀疏频谱问题。绿色是带间间距，红色是感兴趣的带。信息理论规定系统不会浪费功率来转换不需要的频谱。需要具有在模拟域和数字域之间转换稀疏频谱的有效手段的多频带无线电。

基站发射机演进到直接射频

为了促进4G LTE网络的数据消耗增加，广域基站经历了无线电架构的演变。具有混频器和单通道数据转换器的超外差，窄带，IF采样无线电已被基于I / Q的架构所取代，这种架构将带宽加倍，例如复合IF（CIF）和零IF（ZIF）。 ZIF和CIF收发器需要具有双通道和四通道数据转换器的模拟I / Q调制器/解调器。但是，这些带宽较宽的CIF / ZIF收发器也会出现必须纠正的LO泄漏和正交误差图像。

幸运的是，数据转换器采样率在过去10年中也增加了30倍至100倍，从2007年的100 MSPS增加到2017年的10 GSPS +。采样率的提高带来了带宽非常宽的GSPS RF转换器，使频率敏捷软件定义无线电最终成为现实。

也许，6 GHz以下无线电BTS的圣杯架构长期以来一直是射频采样和合成。直接RF架构消除了对模拟频率转换设备的需求，例如混频器，I / Q调制器和I / Q解调器，它们本身是许多不需要的杂散信号的来源。相反，数据转换器直接与RF频率接口，任何混合都可以通过集成的数字上/下变频器（DUC / DDC）进行数字化。

多频带效率增益来自ADI公司的复杂DSP RF转换器，允许仅对所需频谱带进行数字信道化，同时提供对全RF带宽的访问。使用并行DUC或DDC，其结合内插/抽取上/下采样器，半带滤波器和数控振荡器（NCO），感兴趣的频带可在模拟和数字转换之前进行数字构建/解构域并行。

并行数字上变频器或下变频器架构允许您对所需频谱的多个频段进行信道化（图1中以红色显示），而不会浪费宝贵的周期来转换未使用的频段间频谱（如图1中的绿色所示） ）。高效的多频带信道化具有降低数据转换器所需采样率的作用，以及通过JESD204B数据总线传输所需的串行通道数。降低系统采样率可降低基带处理器的成本，功耗和热管理要求，从而节省总基站系统的CAPEX和OPEX。事实上，在高度优化的CMOS ASIC工艺中实现通道化DSP比在通用FPGA架构中实现的功率效率要高得多 - 即使FPGA的几何尺寸较小。

带DPD接收器的直接射频发射器：示例

RF DAC成功地取代了下一代多频段BTS无线电中的IF DAC。图3显示了一个示例直接RF发送器，带有AD9172,16位，12 GSPS RF DAC，支持三频段信道化和三个并行DUC，允许在1200 MHz带宽内灵活放置子载波。在RF DAC之后，ADL5335 Tx VGA提供12 dB的增益和31.5 dB的衰减范围，最高可达4 GHz。然后，此DRF发射器的输出可以根据eNodeB的输出功率要求驱动选择的功率放大器。

考虑图4中所示的Band 3和Band 7场景。可以采用两种不同的方法将数据流直接转换为RF。第一种方法（宽带方法）将在没有信道化的情况下合成频带，需要1228.8MHz的数据速率。该带宽的80％产生983.04MHz的DPD（数字预失真）合成带宽，足以传输两个频带及其740MHz的带间间隔。这种方法的优点是DPD系统，它不仅可以预测每个载波的带内IMD，还可以预期所需频带之间的其他不需要的非线性发射。

第二种方法是合成这些频段的通道化版本。由于每个频带分别只有60 MHz和70 MHz，并且由于运营商只拥有该带宽子集的许可证，因此无需传输所有内容并产生高数据速率。相反，让我们使用更合适，更低的153.6 MHz数据速率，其中80％导致DPD带宽为122.88 MHz。如果运营商拥有每个频段20 MHz的许可证，则仍然有足够的DPD带宽用于每个频段的带内IMD的5 th 阶校正。该模式可以通过上述宽带方法在DAC中节省高达250 mW的功率，并在基带处理器中实现更多的功耗/散热，并减少串行通道数，从而实现更小，更低成本的FPGA / ASIC实现。 / p>

DPD的观测接收机也已演变为DRF（直接射频）架构。 AD9208是一款14位，3 GSPS RF ADC，还支持通过并行DDC进行多频段通道化。发送器DPD子系统中的RF DAC和RF ADC的组合具有许多优点，包括共享转换器时钟，相关相位噪声消除以及系统的整体简化。其中一个简化就是AD9172 RF DAC及其集成PLL能够从低频参考信号产生高达12 GHz的时钟，无需在无线电板周围布设高频时钟。此外，RF DAC可以为反馈ADC输出其时钟的相位相干分频版本。这种系统功能通过创建优化的多频带发射器芯片组真正增强了BTS DPD系统。

摘要

智能手机革命十年后，手机业务就是数据吞吐量。单频段无线电无法满足消费者的容量需求。为了提高数据吞吐量，必须通过多个波段的载波聚合来获得更多的频谱带宽。 RF数据转换器可以访问整个6GHz以下的蜂窝频谱，可以快速重新配置各种频段组合，使软件定义的无线电成为现实。这些频率捷变的直接RF架构降低了成本，尺寸，重量和功耗。这一事实使得RF DAC发射器和RF ADC DPD接收器成为亚6 GHz多频段基站的首选架构。