RF转换器为下一代无线基站提供高效多频段无线电

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支持多个E-UTRA频段以及载波聚合技术。这些多频段无线电采用新一代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无线频谱的稀疏特性，利用先进DSP来高效实现数据比特与RF的来回转换。本文描述了一个针对多频段应用的直接RF发射机例子，并考虑了DSP配置以及功耗与带宽的权衡。

简介 - 10年、10倍频段、100倍数据速率

智能电话革命开始于10年前，其标志事件是苹果公司于2007年发布初代iPhone®。10年后，历经两代无线标准，很多事情都发生了变化。也许不像作为消费电子的智能电话(称为用户设备(UE))那样吸引眼球并常常占据新闻头条，但无线电接入网络(RAN)的基础设施基站(eNodeB)也历经嬗变，才成就了我们如今互连世界的数据洪流。蜂窝频段增加了10倍，而数据转换器采样速率增加了100倍。这使我们处于什么样的状况?

多频段无线电和频谱的有效利用

从2G GSM到4G LTE，蜂窝频段的数量从4个增加到40个以上，暴增了10倍。随着LTE网络的出现，基站供应商发现无线电变化形式倍增。LTE-A提高了多频段无线电的要求，在混频中增加了载波聚合，使得同一频段内(更重要的是不同频段内)[MA1]的非连续频谱可以在基带调制解调器中聚合为单一流[MA2]。

但是，RF频谱很稀疏。图1显示了几个载波聚合频段组合，突出说明了频谱稀疏问题。绿色是带间间隔，红色是目标频段。信息理论要求系统不应浪费功率去转换不需要的频谱。多频段无线电需要有效的手段来转换模拟和数字域之间的稀疏频谱。

图1.非连续频谱的载波聚合突出说明了频谱稀疏问题。红色表示许可频段。绿色表示是带间间隔。

基站发射机演变为直接RF

为帮助应对4G LTE网络数据消费的增加，广域基站的无线电架构已经发生了变化。带混频器和单通道数据转换器的超外差窄带IF采样无线电已被复中频(CIF)和零中频(ZIF)等带宽加倍的I/Q架构所取代。ZIF和CIF收发器需要模拟I/Q调制器/解调器，其采用双通道和四通道数据转换器。然而，此类带宽更宽的CIF/ZIF收发器也会遭受LO泄漏和正交误差镜像的影响，必须予以校正。

图2.无线射频架构不断演变以适应日益增长的带宽需求，进而通过SDR技术变得更具频率捷变性。

幸运的是，过去10年中，数据转换器采样速率也增加了30倍到100倍，从2007年的100 MSPS提高到2017年的10 GSPS以上。采样速率的提高带来了超宽带宽的GSPS RF转换器，使得频率捷变软件定义无线电最终成为现实。

6 GHz以下BTS架构的终极形态或许一直就是直接RF采样和合成。直接RF架构不再需要模拟频率转换器件，例如混频器、I/Q调制器和I/Q解调器，这些器件本身就是许多干扰杂散信号的来源。相反，数据转换器直接与RF频率接口，任何混频均可通过集成数字上/下变频器(DUC/DDC)以数字方式完成。

多频段效率增益以精密DSP的形式出现，[MA3]其包含在ADI的RF转换器中，可以仅对需要的频段进行数字通道化，同时支持使用全部RF带宽。利用集内插/抽取上/下采样器、半带滤波器和数控振荡器(NCO)于一体的并行DUC或DDC，可以在模拟和数字域相互转换之前对目标频段进行数字化建构/解构[MA4]。

并行数字上/下变频器架构允许用户对多个所需频段(图1中以红色显示)进行通道化，而不会浪费宝贵的周期时间去转换未使用的频段[MA5](图1中以绿色显示)。高效率多频段通道化具有降低数据转换器采样速率要求的效果，并能减少通过JESD204B数据总线传输所需的串行通道数量。降低系统采样速率可降低基带处理器的成本、功耗和散热管理要求，从而节省整个基站系统的资本[MA6]支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)。在高度优化的CMOS ASIC工艺中实现通道化DSP的功效比远高于通用FPGA结构中的实现方案，哪怕FPGA的尺寸较小也是如此。

带DPD接收机的直接RF发射机：示例

在新一代多频段BTS无线电中，RF DAC已成功取代了IF DAC。图3显示了一个带有16位12 GSPS RF DAC AD9172的直接RF发射机示例，其利用三个并行DUC支持三频段通道化，允许在1200 MHz带宽上灵活地放置副载波[MA7]。在RF DAC之后，ADL5335 Tx VGA提供12 dB的增益和31.5 dB的衰减范围，最高支持4 GHz。根据eNodeB的输出功率要求，此DRF发射机的输出可以驱动所选功率放大器。

图3.直接RF发射机。诸如AD9172之类的RF DAC包括复杂的DSP模块，其利用并行数字上变频通道化器来实现高效多频带传输。

考虑图4所示的频段3和频段7情形。有两种不同方法可用来将数据流直接转换为RF。第一种方法(宽带方法)是不经通道化而合成频段，要求1228.8 MHz的数据速率。此带宽的80%产生983.04 MHz的DPD(数字预失真)合成带宽[MA8]，足以传输两个频带及其740 MHz的频带间隔。这种方法对DPD系统有好处，不仅可以对每个单独载波的带内IMD进行预失真，还能对所需频带之间的其他无用非线性发射进行预失真。

图4.双频段情形：频段3(1805 MHz至1880 MHz)和频段7(2620 MHz至2690 MHz)。

第二种方法是合成这些频段的通道化版本。[MA9]由于每个频段分别只有60 MHz和70 MHz，并且运营商只有该带宽的一个子集的许可证，所以没有必要传输一切并因此招致高数据速率。相反，我们仅利用更合适、更低的153.6 MHz数据速率，其80%导致DPD带宽为122.88 MHz[MA10]。如果运营商拥有每个频段中的20 MHz的许可证，则对于每个频段的带内IMD，仍有足够的DPD带宽进行5阶校正。采用上述宽带方法，这种模式可以在DAC中节省高达250 mW的功耗，并在基带处理器中节省更多的功耗/热量，另外还能减少串行通道数量，实现更小、更低成本的FPGA/ASIC。

图5.利用AD9172 RF DAC，通过直接RF发射机实现频段3和频段7 LTE传输。

DPD的观测接收机也已演变为DRF(直接射频)架构。AD920814位3 GSPS RF ADC还支持通过并行DDC进行多频段通道化。发射机DPD子系统中的RF DAC和RF ADC组合有许多优点，包括共享转换器时钟、相关相位噪声消除以及系统整体的简化。其中一个简化是，集成PLL的AD9172 RF DAC的能够从低频参考信号生成高达12 GHz的时钟，而无需在无线电电路板周围布设高频时钟。此外，RF DAC可以输出其时钟的相位相干分频版本供反馈ADC使用。此类系统特性支持创建优化的多频段发射机芯片组，从而真正增强BTS DPD系统。

图6.用于数字预失真的直接RF观测接收机。宽带RF ADC(例如AD9208)可以将5 GHz带宽上的多个频段高效数字化。

结语

智能电话革命十年后，蜂窝业务全都与数据吞吐量有关。单频段无线电再也不能满足消费者的容量需求。为了增加数据吞吐量，必须通过多频段载波聚合来获得更多的频谱带宽。RF数据转换器可以使用全部6 GHz以下蜂窝频谱，并能快速重新配置以适应不同频段组合，从而使软件定义无线电成为现实。此类频率敏捷直接RF架构可缩减成本、尺寸、重量和功耗。这一事实使得RF DAC发射机和RF ADC DPD接收机成为6 GHz以下多频段基站的首选架构。