6 GHz頻段無線電解決方案：16 nm收發器系列

作者：ADI資深經理Howie Jing

摘要

近期，6 GHz頻段被劃分用於無線通訊系統，為實現高速、低延遲應用開闢了新的可能性。ADI推出的16 nm收發器系列為該頻段提供了一種高度整合的解決方案，兼具低功耗和高性能。本文將介紹6 GHz頻段，並討論ADI收發器系列所採用的零中頻架構的優勢。此外，本文並將重點介紹16 nm收發器系列的主要特性和在不同場景中的應用。

引言

隨著無線通訊系統的不斷演進，各方也在持續探索和採用新技術和新頻譜。對於無線業的從業者而言，3GPP（第三代合作夥伴計畫）將6 GHz頻段納入頻率範圍1 (FR1)是個令人鼓舞，但也在預料之中的好消息。透過將原來的FR1在低頻和高頻兩端都進行擴展，從[450 MHz至6000 MHz]擴展至[410 MHz至7125 MHz]，相關產業能夠取得大量新增頻譜，為未來的成長和創新開拓了新機遇。

相較於舊版FR1頻段，新的6 GHz頻段支援更寬的頻寬：n96為1200 MHz（5925 MHz至7125 MHz），n102為500 MHz（5925 MHz至6425 MHz），n104為700 MHz（6425 MHz至7125 MHz）。透過提供網路能耗性能良好且傳播率優於頻率範圍2 (FR2)頻段的高容量頻譜，新的6 GHz頻段必將成為無線連接的重要資源。2020年，美國聯邦傳播委員會(FCC)將6 GHz頻段劃定給免授權的Wi-Fi使用，這使得6 GHz頻段在市場內極具競爭力。

本文將探討ADI的16 nm收發器系列在相關應用中的特性和優勢。ADI 16 nm收發器是一款高度整合的元件，提供8T8R（八個發射器和八個接收器）和4T4R（四個發射器和四個接收器）兩種配置，具有多種數位前端功能，包括數位預失真(DPD)、削峰(CFR)、載波數位上變頻器和下變頻器（CDDC和CDUC），而且具有省電節能特性。

架構

如圖1所示，ADI的16 nm收發器系列整合了八個差分發射器(Tx0-7)、八個差分接收器(Rx0-7)和兩個差分觀測接收器(ORx0-1)。可調諧頻率的範圍介於400 MHz至7125 MHz之間，以兩個射頻(RF)合成器作為本振(LO)。可調諧頻寬高達600 MHz。為了連接到基頻處理器，設計了高速JESD204B/JESD204C介面。

發射器

發射器採用零中頻架構，如圖1所示。來自數位類比轉換器(DAC)的同相和正交(I/Q)基頻訊號透過基頻低通濾波器(LPF)進行重構和濾波，然後透過類比調變器和LO進行上變頻，得到射頻輸出訊號。相較於射頻採樣轉換器，零中頻發射器提供更高的線性度和抗雜訊性能，而且功耗相對較低。

DAC轉換函數的一般形式為sin(x)/x，其頻率響應並不平坦，如圖2所示。類比輸出在較高頻率時會出現衰減。採樣過程中會生成目標訊號的鏡像，需要將鏡像濾除。否則，鏡像會污染無線電頻譜，違反3GPP和FCC的發射要求。

因此，DAC的最大可用輸出頻率通常為採樣時脈速率的40%。為了使射頻採樣在6 GHz頻段（最高7.125 GHz）有效運行，DAC採樣時脈必須在高於18 GHz的頻率運行，而這會消耗大量功率。此時，零中頻發射器的優勢非常明顯。其只需對基頻I/Q訊號進行數位化處理，DAC採樣時脈就能夠降低至3 GHz以支援6 GHz頻段。由此可在整個6 GHz頻段實現更平坦的輸出功率（圖3），並實現更低的雜訊譜密度(NSD)與相對較低的能耗。通常情況下，即使採用相同的製程，對於典型的單頻段應用而言，要實現同等的抗雜訊性能，射頻採樣轉換器的功耗比基頻I/Q轉換器高出大約125%。

接收器

在接收器路徑上，透過使用類比解調器和LO，對射頻輸入進行下變頻，得到基頻I/Q訊號。連續時間Σ-Δ ADC專門用於對基頻I/Q訊號進行數位化處理。該ADC整合了固有的抗混疊濾波功能，相較於傳統採樣技術，大幅放寬了濾波要求。在射頻輸入埠，寬頻匹配功能可在6 GHz頻段提供平坦的頻率響應，如圖4所示。

基頻放大器可以採用經典拓撲，透過使用回饋電路來提供良好的線性度和抗雜訊性能。然而，射頻採樣接收器需要在射頻頻段進行成本高昂的額外濾波。為了對6 GHz頻段進行採樣，射頻採樣ADC需要8 GSPS採樣時脈，以便轉換來自第二奈奎斯特區的目標訊號，因此，如果不進行強力濾波來減輕影響，就無法避免產生的訊號發生混疊。或者，可使用高於15 GSPS的採樣時脈來放寬抗混疊要求，但相較於零中頻的基頻I/Q採樣，此種方法的能耗明顯更高。相較之下，零中頻的基頻I/Q採樣僅需3 GSPS左右的低I/Q採樣時脈便能滿足性能需求。

此外，零中頻接收器的NSD通常與頻段無關。如圖5所示，6300 MHz和7100 MHz時的NSD幾乎相同。

觀測接收器

在此種高度整合的收發器中，兩個觀測接收器均設計為射頻採樣架構，透過適當的前端設計，為用於功率放大器(PA)的DPD環回接收器、用於發射器輸出功率的監控路徑或者用於射頻頻譜的嗅探接收器等提供性能保障。

為了支援各種應用，觀測接收器可配置為在四種採樣時脈速率下工作，進而彈性地在頻寬、NSD性能和功率之間進行選擇。有關不同採樣時脈速率下的NSD性能和功率，請參見表1。

應用

無線大規模多路輸入多路輸出(MIMO)系統

ADI的16 nm收發器廣泛部署於sub-6G大規模MIMO系統，已有數百萬台搭載了這項技術的基地台收發台(BTS)設備在實際應用中投入使用，足以證明此款收發器是sub-6G頻譜內的可靠無線電解決方案。從2025年起，得益於擴展後的3GPP FR1，此款收發器也將在6 GHz頻段下提供同樣卓越的性能及以下優勢。

支援寬頻寬

• 在發射器和接收器上支援600 MHz暫態頻寬(IBW)，為PA的數位預失真(DPD)支援800 MHz合成頻寬。
• 兩個觀測接收器可用於PA數位預失真的回饋通道。
• 具有高達19.66 Gbps/32.44 Gbps的JESD204B/JESD204C數位介面，支援寬頻寬。

減少通道間相位變化的技術

• 多晶片同步(MCS)：作為元件初始化的一部分，MCS狀態機採用系統全域參考訊號(SYSREF)來重定資料轉換器時脈及數位資料路徑上的所有其他時脈，以使時脈相位與元件時脈(DEVCLK)同步，進而使從JESD介面到資料轉換器的相位保持一致。此外，MCS狀態機會對射頻PLL相位進行復位，以與DEVCLK和LO分配路徑上的分配器保持一致，進而在射頻輸入和輸出埠實現整體相位對齊。
• 發射器衰減引起的相位補償：訊號路徑上的增益或衰減變化是引起相位變化的另一個原因。為了減輕相位變化，針對每個發射器的衰減指數，增加了預表徵的相位補償，進而確保每當系統調整衰減時都會應用相位校正。

在收發器中融入這些技術有助於將通道初始化為更一致的啟動條件，進而降低系統天線校準的複雜性。如此透過降低射頻PLL對溫度的依賴性並減輕增益變化引起的相位變化，天線校準便能在操作過程中以更低的頻率運行。

功耗節省

非連續傳輸(DTX)模式：對於傳統的無線電單元，即使蜂巢單元裡沒有使用者，能耗也相當高。這款收發器內建DTX功能，可在空傳輸時間間隔(TTI)期間，關閉發射器資料路徑中的元件。配置了DTX後，當收發器檢測到“零資料”條件時，便會關閉功率放大器及其他發射器元件。檢測到非零資料時，元件會快速啟動。在使用實際的行動網路營運商數據的場景中，這項技術將RU能耗降低了30%以上，同時不影響服務品質(QOS)。

16 nm收發器用於Wi-Fi系統的免授權6 GHz頻段

2020年，美國FCC表決通過了允許免授權的無線局域網在 6 GHz頻段內運行的決議。之後，Wi-Fi聯盟為Wi-Fi 6E通道分配了5925 MHz至7125 MHz的頻譜3，在傳統2.4 GHz頻段和5 GHz頻段的基礎之上，多增加了14個額外的80 MHz通道或7個額外的160 MHz通道。有關6 GHz頻段的免授權頻段，請參見表2。

ADI的16 nm收發器系列覆蓋6 GHz頻段，提供卓越的性能，並且可以在能耗與頻寬之間彈性權衡，亦能從前面部分討論的零中頻架構中獲益。

單一無線電晶片透過空間分集（4倍或2倍天線分集）即可支援1200 MHz

如前所述，此款收發器支援600 MHz IBW，透過與兩個內部LO結合使用，單一晶片可覆蓋整個1200 MHz頻段。如圖6所示，對於整個1200 MHz頻段，收發器配置為支援四根天線（四個通道）。LO0用於通道0至3，以覆蓋所有四個通道上的U-NII-5和U-NII-6。同樣的對於U-NII-7和U-NII-8的通道4至7，LO1將配置為6825 MHz。兩個600 MHz頻段可透過高速JESD204C介面同時發送到基頻。配置詳情參見表3。

低功耗解決方案透過LO頻率掃描即可支援1200 MHz

6 GHz頻段Wi-Fi頻譜可分成59個通道，每個通道的頻寬為20 MHz，或支援七個通道，每個通道的頻寬為160 MHz。除了上述寬頻寬配置，收發器還可配置為窄頻寬，以降低能耗。例如，當資料速率為245.76 MSPS時，訊號頻寬可為160 MHz，JESD通道速率可低至9.8 Gbps運行。在1200 MHz頻段內，射頻LO頻率可以彈性配置，以覆蓋整個6 GHz頻段。相較於寬頻寬配置，在這種低功耗配置下，收發器可節省20%的功耗。配置示例如圖7和表4所示。

用於頻譜掃描的寬頻觀測接收器

對於此類應用，觀測接收器可配置為7.8 GHz，無縫覆蓋Wi-Fi 6 GHz頻段。圖8顯示了6 GHz頻段位於第二奈奎斯特區的高頻段範圍，相應地，在第一奈奎斯特區，透過利用接收器資料路徑上的NCO，反轉的6 GHz頻譜可轉換為基頻。

結論

在無線通訊市場中，隨著新技術和新頻譜的持續導入，營運商迫切需要經濟高效的解決方案。因此，高度整合的低功耗解決方案變得更加重要。ADI的16 nm收發器系列在單一晶片上整合了八個通道和高性能類比前端及數位前端功能（DPD、CFR和CDDC/CDUC）。零中頻架構提供低功耗收發器解決方案，並在元件中整合了省電特性(DTX)，以便透過控制PA來進一步降低系統功耗。此外，得益於彈性的配置，此種架構也能夠彈性適用於無線BTS和Wi-Fi系統等多種應用。

參考文獻

¹「均衡技術使DAC頻率響應平坦化」，ADI，2012年8月。

²Brad Brannon，「無線電架構事關重大：射頻採樣與零中頻的回顧」，ADI，2021年12月。

³「FCC Opens 6 GHz Band to Wi-Fi and Other Unlicensed Uses」，美國聯邦傳播委員會，2020年4月。