智慧型手機革命開始於10年前,其指標事件是蘋果(Apple)於2007年發佈第一代iPhone。10年後,歷經兩代無線標準,很多事情都發生了變化,也許不像作為消費性電子的智慧型手機(稱為使用者設備,UE)那樣吸引眼球並常常佔據新聞頭條,但無線電接取網路(RAN)的基礎設施基地台(eNodeB)也歷經轉變,才成就了如今互連世界的資料洪流。蜂巢頻段增加了10倍,而資料轉換器採樣速率增加了100倍,這使我們處於什麼樣的狀況?

多頻段無線電和頻譜的有效利用

從2G GSM到4G LTE,蜂巢頻段的數量從4個增加到40個以上,暴增了10倍。隨著LTE網路的出現,基地台供應商發現無線電變化形式倍增,LTE-A提高了多頻段無線電的要求,在混頻中增加了載波聚合(Carrier Aggregation;CA),使得同一頻段或更可能是多頻段非連續頻譜可以在基頻數據機中聚合為單一資料流程。

但是,RF頻譜很稀疏。圖1顯示了幾個載波聚合頻段組合,說明了頻譜稀疏問題。圖1中綠色是帶間間隔,紅色是目標頻段。資訊理論要求系統不應浪費功率去轉換不需要的頻譜,多頻段無線電需要有效的手段來轉換類比和數位域之間的稀疏頻譜。

20181016TA31P1 圖1 非連續頻譜的載波聚合顯著說明了頻譜稀疏問題。

基地台發射機演變為直接RF

為協助應對4G LTE網路資料消費的增加,廣域基地台的無線電架構已經發生了變化。內建混頻器和單通道資料轉換器的超外差窄頻中頻(IF)採樣無線電,已被覆中頻(CIF)和零中頻(ZIF)等頻寬加倍的I/Q架構所取代。ZIF和CIF收發器需要類比I/Q調變器/解調器,其採用雙通道和四通道資料轉換器。然而,此類頻寬更寬的CIF/ZIF收發器也會遭受LO洩漏和正交誤差鏡像的影響,必須予以校正。

20181016TA31P2 圖2 無線RF架構不斷演變以適應日益增長的頻寬需求,進而透過軟體定義無線電技術 變得更具頻率捷變性。

幸運的是,過去10年中,資料轉換器採樣速率也增加了30~100倍,從2007年的100MSPS提高到2017年的10GSPS以上。採樣速率的提高帶來了超寬頻寬的GSPS RF轉換器,使得頻率捷變軟體定義無線電(SDR)最終成為現實。

6GHz以下基地台接收站(BTS)架構的終極形態或許一直就是直接RF採樣和合成。直接RF架構不再需要類比頻率轉換元件,例如混頻器、I/Q調變器和I/Q解調器,這些元件本身就是許多干擾雜散訊號的來源。相反,資料轉換器直接與RF頻率介面,任何混頻均可透過整合數位上/下變頻器(DUC/DDC)以數位方式完成。

多頻段的高效率得益於複雜DSP處理,其包含在RF轉換器中,可以僅對需要的頻段進行數位通道化,同時支援使用全部RF頻寬。利用集內插/抽取上/下採樣器、半帶濾波器和數控振盪器(NCO)於一體的平行DUC或DDC,可以在類比和數位域相互轉換之前對目標頻段進行數位化重構和恢復。

平行數位上/下變頻器架構允許用戶對多個所需頻段(圖1中以紅色顯示)進行通道化,而不會浪費寶貴的週期 時間去轉換未使用的中間頻段(圖1中以綠色顯示)。高效率多頻段通道化具有降低資料轉換器採樣速率要求的效果,並能減少透過資料匯流排傳輸所需的串列通道數量。降低系統採樣速率可降低基頻處理器的成本、功耗和散熱管理要求,從而節省整個基地台系統的成本支出(CAPEX)和營運支出(OPEX)。在高度最佳化的CMOS ASIC製程中實現通道化DSP的功效比遠高於通用FPGA結構中的實現方案,哪怕FPGA的尺寸較小也是如此。

內建DPD接收機的直接RF發射機示例

在新一代多頻段BTS無線電中,RF DAC已成功取代了IF DAC。圖3顯示了一個內建16位元12 GSPS RF DAC的直接RF發射機示例,其利用三個平行DUC支援三頻段通道化,允許在1,200MHz頻寬上靈活地放置子載波。在RF DAC之後,Tx VGA提供12dB的增益和31.5dB的衰減範圍,最高支持4GHz,根據eNodeB的輸出功率要求,此直接射頻(DRF)發射機的輸出可以驅動所選功率放大器。

20181016TA31P3 圖3 直接RF發射機。諸如AD9172之類的RF DAC包括複雜的DSP模組,其利用平行數位上變頻通等化器來實現高效多頻帶傳輸。

考慮圖4所示的頻段3和頻段7情形。有兩種不同方法可用來將資料流程直接轉換為RF。第一種方法(寬頻方法)是不經通道化而合成頻段,要求1,228.8MHz的資料速率,允許DPD使用其中80%的頻寬為983.04MHz,足以傳輸兩個頻帶及其740MHz的頻帶間隔。這種方法對DPD系統有好處,不僅可以對每個單獨載波的頻帶內IMD進行預失真,還能對所需頻帶之間的其他無用非線性發射進行預失真。

20181016TA31P4 圖4 雙頻段情形——頻段3(1,805MHz~1,880MHz)和頻段7(2,620MHz~2,690MHz)。

第二種方法是通道化合成。由於每個頻段分別只有60MHz和70MHz,並且營運商只有該頻寬的一個子集的許可證,所以沒有必要傳輸一切並因此招致高資料速率。相反,僅利用更合適、更低的153.6MHz資料速率,80%的DPD頻寬為122.88MHz。如果營運商擁有每個頻段中的20MHz的許可證,則對於每個頻段的頻帶內IMD,仍有足夠的DPD頻寬進行5階校正。採用上述寬頻方法,這種模式可以在DAC中節省高達250mW的功耗,並在基頻處理器中節省更多的功耗/熱量,另外還能減少串列通道數量,實現更小、更低成本的FPGA/ASIC。

20181016TA31P5 圖5 利用RF DAC,透過直接RF發射機實現頻段3和頻段7 LTE傳輸。

DPD的觀測接收機也已演變為DRF架構。4位元3 GSPS RF ADC還支援透過平行DDC進行多頻段通道化。發射機DPD子系統中的RF DAC和RF ADC組合有許多優點,包括共用轉換器時脈、相關相位雜訊消除,以及系統整體的簡化。其中一個簡化是,整合PLL的RF DAC的能夠從低頻參考訊號生成高達12GHz的時脈,而無需在無線電電路板周圍佈設高頻時脈。此外,RF DAC可以輸出其時脈的相位相干分頻版本供回饋ADC使用。此類系統特性支援創建最佳化的多頻段發射機晶片組,從而真正增強BTS DPD系統。

20181016TA31P6 圖6 用於DPD的直接RF觀測接收機。寬頻RF ADC(例如AD9208)可以將5GHz頻寬上的多個頻段高效數位化。

結語

智慧型手機革命歷經10年後,蜂巢業務全都與資料輸送量有關。單頻段無線電再也不能滿足消費者的容量需求,為了增加資料輸送量,必須利用多頻段載波聚合來獲得更多的頻譜頻寬。RF資料轉換器可以使用全部6GHz以下蜂巢頻譜,並能快速重新配置以適應不同頻段組合,從而使軟體定義無線電成為現實。

此類頻率敏捷直接RF架構可縮減成本、尺寸、重量和功耗,這一事實使得RF DAC發射機和RF ADC DPD接收機成為6GHz以下多頻段基地台的首選架構。