射頻轉換器為下一代無線基地台建構高效率多頻段無線電

摘要

為因應無線資料傳輸不斷成長的需求,現代基地台的無線電元件都已經設計成能支援多個演進通用陸地無線接入(E-UTRA)頻段,以及各種載波聚合技巧。這些多頻段無線電運用新一代的GSPS 射頻ADC與DAC,除了能靈活使用頻段和直接合成射頻訊號,還能運用多種取樣技巧。為應付射頻無線頻譜分散的特性,故採用精密DSP發送器,高效率地將資料位元轉換至射頻訊號,以及在接收端將射頻訊號轉回資料位元。本文即將介紹一個多頻段應用的直接射頻發送器,並探討其中DSP的組態,以及功率與頻寬之間的取捨。

介紹—10年歲月、10倍頻段、100倍資料傳輸率

自從智慧型手機革命開展至今已走過10個年頭,最初,當蘋果在2007年推出元祖版iPhone。經過10年與兩代的無線標準之後 – 許多事物已有改變。或許不像吸引消費者目光的智慧型手機,被歸類於使用者設備(UE)的基礎設施基地台(eNodeB)這種無線電存取網路(RAN)裡的設備經歷自己的轉型,以因應形成日趨連網化世界耗用大量資料的需求。手機網路頻段增加10倍,而資料轉換器的取樣率更是提高了100倍,而這帶給我們什麼樣的影響?

圖1. 不連續頻譜的載波聚合,突顯出頻譜分散的問題。圖中紅色代表須取得執照的頻段。綠色代表跨頻段的空隙。

多頻段無線電以及頻譜的有效利用

從2G網路的GSM 到4G網路的LTE,手機頻段的數量成長10倍 – 從4個增加到超過40個。LTE網路推出後,基地台供應商發現無線電衍生版本的數量竟增加了數倍之多。LTE-advanced對多頻段無線電的需求加重,加入了載波聚合,在同一個頻段中混用多個不連續的頻譜,或更重要的是,混用數個不同頻段中不連續的頻譜,在同一個基頻段數據機中加以聚合,就像使用單一連續頻段一樣。

然而,射頻頻譜是分散不連續的。圖1顯示多個經載波聚合的頻段組合,歧突顯出分散頻譜的問題。圖中綠色顯示跨頻段空隙,紅色代表我們關注的頻段。根據資訊理論,系統不會浪費功率去轉換不想用的頻譜。有效率的多頻段無線電,意謂著必須在類比與數位領域之間轉換這種分散的頻譜。

基地台發送器演進成直接射頻

為讓4G LTE網路能應付更多的資料使用量,廣域網路基地台在無線電架構方面經歷一波演進。包括超外差、窄頻、中頻取樣無線電結合混波器與單通道資料轉換器,如今都已被I/Q調制類型的架構所取代,這類提供倍增頻寬的架構包括複合中頻(CIF)、以及零中頻(ZIF)。ZIF與CIF收發器需要類比I/Q調變器/解調變器,以及雙通道與四通道資料轉換器。

然而,這些頻寬更大的CIF/ZIF收發器也有本地振盪訊號洩露(LO leakage)、以及正交誤差鏡像(quadrature error images)等問題必須修正。

 

圖2. 無線式 radio架構歷經演化以容納持續攀升的頻寬需求,進而透過各種軟體定義無線電技巧靈活運用通訊頻段

 

幸運的是,資料轉換器取樣率在過去10年也增加了30至100倍,從2007年的100 MSPS提高到2017年的10 GSPS以上。GSPS等級射頻轉換器出現更高的取樣率,這類元件擁有極高的頻寬,故能靈活運用頻段的軟體定義無線電能邁入實際運用階段。

 

圖3. 直接射頻發送器。像AD9172這樣的RF DACS就內含精密DSP模塊,以及並列式數位升頻頻道分離器,高效率地進行多頻段傳輸。

 

對於sub-6 GHz無線電BTS架構而言,長久以來的終極目標就是直接射頻取樣與分析。直接射頻架構能省去類比頻率轉換元件,像是混波器、I/Q調變器、以及I/Q解調變器,而這些元件本身就是許多寄生訊號的來源。資料轉換器直接連結射頻頻率,而所有混波程序都能以數位模式由內建的數位升頻/降頻(DUC/DDC)完成。

多頻段效率來自精密DSP,這些內建於ADI旗下射頻轉換器的元件不僅只針對想使用頻譜頻段進行數位頻道化,還能同時存取所有射頻頻寬。運用並列式DUC與DDC,結合內插/外抽(decimating)升頻/降頻取樣器、半頻段濾波器、以及數值控制振盪器(NCO),在類比與數位領域之間進行轉換之前,目標頻段就能以數位模式進行建構/解構。

並列式數位升頻/降頻架構讓您能將數個頻段的目標頻譜(如圖1的紅色)進行頻道化,不會浪費寶貴的週期來轉換沒用到的跨頻段頻譜(如圖1的綠色)。高效率的多頻段頻道化有助於降低資料轉換器的取樣率,以及透過JESD204B資料匯流排傳送訊號所需的串列鏈路數量。降低系統取樣率能降低基頻處理器的成本、耗電、以及散熱管理的要求,進而節省整個基地台系統的資金與營運成本。在一個高度最佳化CMOS ASIC上實作頻道化DSP也能達成以上效果,而且遠比在泛用FPGA架構上進行實作來得更加省電 – 即使FPGA採用更微縮的製程也是如此。

直接射頻發送器搭配DPD接收器:範例

射頻DAC成功取代這些下一代多頻段BTS無線電內的中頻DAC。圖3顯示一個直接射頻發送器的例子,這個發送器內含 AD9172,這個16位元12 GSPS射頻DAC運用3個並列DUC支援三頻段頻道化。能在1200 MHz頻寬上彈性配置多個子載波。另外在射頻DAC方面,ADL5335 Tx VGA 提供12 dB的增益以及31.5 dB的衰減,範圍最高達4 GHz。這個DRF發送器的輸出能用來驅動功率放大器,用戶可根據eNodeB的輸出功率需求來選擇功率放大器。

來看圖4顯示的Band 3 與Band 7情境,運用兩種不同方法將資料流直接轉換成射頻訊號。第一種方法(寬頻方法)沒有進行頻道化就能合成多個頻段,需用到1228.8 MHz的資料傳輸率。這個頻寬的80%會產生一個DPD(數位預失真)的983.04 MHz合成頻寬,足以傳送兩個頻段,其頻段間隙為740 MHz。這種方法的優點是適合DPD系統,不僅能針對每個載波的跨頻段互調失真(IMD)進行預失真處理,也可對欲使用頻段之間出現的非線性發射也能加以處理。

 

圖4. 雙頻段情境: Band 3 (1805 MHz至1880 MHz) 與Band 7 (2620 MHz至2690 MHz).

 

第二種方法是合成這些頻道化的頻段。由於這些頻段的寬度只有60 MHz至70MHz,加上電信營運業者只擁有部分頻段的執照,因此無法在所有頻段上同時傳送以達到高資料傳輸率。所以,我們改用較適合的153.6 MHz資料傳輸率,其中的80%產生122.88 MHz的DPD頻寬。如果電信商在每個頻段上擁有20 MHz的執照,仍有足夠的DPD頻寬來對對每個頻段的跨頻段IMD進行五階(5th-order)校正。這種模式在上述的寬頻方法中,除了能在DAC節省250 mW的電力,基頻處理器也更省電/減少散熱資源的需求,因此能減少串列鏈路數量,開發出更小、更低成本的FPGA/ASIC元件。

 

圖5. Band 3 與Band 7 LTE透過直接射頻發送器進行傳輸,採用的是AD9172射頻DAC。

 

另外,數位預失真的觀測接收器也進化成DRF(直接射頻)架構。 AD9208 這款14位元3 GSPS 射頻ADC亦透過並列DDC支援多頻段通道化。發送器DPD子系統中的射頻DAC與射頻ADC也有許多好處,其中包括共用轉換器時脈,消除相關相位雜訊,以及系統的整體簡化。其中一項簡化就是AD9172 射頻DAC配合內建的PLL,能從一個低頻參考訊號產生12 GHz的時脈,故不須在無線電機板上繞送高頻時脈訊號。此外,射頻DAC能輸出一個相位一致的除頻(divided down)時脈回饋給ADC。藉由開發最佳化的多頻段發送晶片組,這樣的系統功能可以真正提升BTS數位預失真系統。

 

圖6.運用在數位預失真的直接射頻觀測接收器。像AD9208這樣的寬頻RF ADC能在5 GHz頻寬有效率地對多個頻段進行數位化

 

總結

在智慧型手機掀起革命十年之後,手機企業目光焦點全都在資料吞吐量。單頻段無線電已無法滿足消費者對於傳輸容量的需求。要提高資料吞吐量,就必須用多個頻段進行載波聚合,藉此榨出更多頻譜頻寬。射頻資料轉換器除了能存取整個sub-6 GHz手機頻譜,還能針對不同頻段組合快速重新設定,實現軟體定義無線電的功能。這些靈活調用頻率的直接射頻架構能降低產品的成本、尺吋、重量、以及功耗。這點讓射頻DAC發送器與射頻ADC數位預失真接收器成為sub-6 GHz多頻段基地台的理想架構。


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John Oates

John Oates is a system engineer focusing on wireless base station architecture in the Communications Systems Group. Lately, his focus has been on GSPS converters for direct RF transmitters and observation. John joined ADI in 2008 and holds a B.S. in Cp.E. from North Carolina State University.