4G向5G迁移需要提供超强连接。首先,其流量会提升1000倍左右。其次,其数据速率会达到上Gbps的数据速率(大于10Gb/s的峰值数据速率),且覆盖范围会大大增强(并消除室内外的各种盲点)。第三,低延迟(小于1毫秒)。第四,数据的设备从现在的手机扩展到万物互联,即IoT时代。

在达到超强连接的同时,设备供应商在功耗和成本上也面临很高的要求,并面临越来越多的创新压力和挑战。其中一个压力是无线电外形种类和频段激增。无线电外形种类最早是宏基站,后来开始有RRU(远端射频模块)、BBU(室内基带处理单元),再到现在最新的小站,以及4.5G~5G中引进的Massive MIMO。

频段的激增导致频段越来越不够用,各国政府都在加入新的频段,包括Sub-6GHz以及微波频段。同时,设备供应商还需要继续缩减无线电的尺寸、重量和功耗,这是永恒的话题。另外,谁能够抢先一步占领市场,就能成为市场的领导者,ADI RadioVerse™市场经理翁洁日前在该公司RadioVerse技术和设计生态系统更新及AD9375发布会上向记者表示。

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因此,ADI公司去年推出了RadioVerse,用来帮助其客户解决无线电设计的相关难题。RadioVerse的核心就是ADI的无线电收发器技术。

RadioVerse现已涵盖非常多的不同应用,包括小站、Massive MIMO,防务应用、无线图传、软件定义无线电(SDR)以及IoT。

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RadioVerse第一代收发器产品有AD9361、AD9363、AD9364。第二代以AD9371为主,该产品是去年推出。这次新推出的集成了数字预失真(DPD)的收发器AD9375,则是作为AD9371的后续产品推出。

5G两大关键技术——小基站和Massive MIMO均倚赖高效率功放,然传统做法无法应对尺寸/功耗压力

从4G到5G过渡对数据量提出非常大的需求,这也给运营商带来很多挑战。数据量需求的年复合增长率为40%,特别是年轻人对数据流量的需求大大超过了打电话的需求,翁经理表示。

建筑物穿透也越来越困难,像高楼大厦室内、室外覆盖都比较困难,特别是室内覆盖。

频谱稀缺也是一个问题。比如美国联邦通讯委员会(FCC)开出一个新的频谱,马上就会为几家运营商所争抢,拍卖出非常高的天价,但即使这样还是难以满足大家的需求。这也是为什么5G要引入毫米波频段所在。

小基站和Massive MIMO是5G当中提升网络覆盖容量和范围的两个关键技术。小站是通过频谱复用增加网络密度,从而增加容量和覆盖范围。它的主要应用场景包括机场、体育馆、办公大楼等等。“应该说有80%以上小站都是用我们的收发器技术。无论室内、室外还是乡村都会用到。”翁经理透露。

Massive MIMO是一个比较新的技术,主要针对5G,使用波束成形来提供更高的数据速率和更大的容量。它通过空间复用来大大提高容量和覆盖,数据速率也会有很大的提高。它的主要应用场景则一般是用在热点地区,比如CBD、商业中心。它的优点是能够对不同的用户定向化,并能够减少干扰。

目前小站和Massive MIMO都已经开始部署了。小站的年复合增长率大概在30%左右;Massive MIMO则会用在宏基站上,宏站从2017年开始有64T64R。

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翁经理指出,这两种系统对尺寸、功耗和重量都有很高的要求。对小站来说,原来的小站只支持一个频段,然而现在因为运营商的频段变多了,同时可能需要支持多个运营商(即多模),小站现在需要支持多个频段。但是同时小站又要维持较小体积,从而可以悬挂在路灯、外墙或者室内墙壁上,这对它的功耗和尺寸就提出了很大要求。

Massive MIMO的主要压力在于,其天线数量要增加到64T64R,甚至128T128R。这样大的天线数量激增对功耗的挑战就会更大。

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这两种系统都需要用到高效的功率放大器(PA),这样才能降低功耗,但是PA在高功率输入时会失真。现在流行的做法是采用数字预失真(DPD)来对其进行线性化,即模拟PA反过来的模型,将两者叠加,最后得到的就是线性的输出。一般现有的DPD是基于FPGA实现的,但这种方法不能应对天线数量的增加。

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因此,ADI推出了集成了DPD的收发器,旨在应对这一问题。

将DPD集成到收发器后带来种种意想不到的效果……

AD9371是该公司去年推出的高度集成的收发器产品,它以12mm×12mm的小尺寸代替了20多个分立器件。

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新的AD9375是在其基础上加入了DPD功能。它是业界首款集成了DPD的宽带RF收发器。它和AD9371一样,支持最大40MHz。RF频率也是从300MHz到6Gbps。功能也是一样。信道是两发两收,接口一样,是6Gbps的ESD。功耗和AD9371类似。它和AD9371引脚兼容,替换起来非常方便。

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那么,收发器上集成DPD又能带来哪些好处呢?AD9375作为集成DPD产品,相比传统的DPD方法来说具有很大优势。首先,它本身是一个非常低功耗的解决方案。传统的DPD基于FPGA,一般功耗都在1W以上(1~2W)。而集成了DPD的方案,功耗只有0.1W。

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其次,因为它是集成方案,所以大大降低了SERDES接口(JESD204B信道)的数量。“因为我们现在把DPD从FPGA上挪到了我们的收发器,所以FPGA的资源可以降低,也降低了FPGA的复杂度和成本。我们为了让客户便于使用,我们提供了很多配套支持,包括评估板、客户支持、API,还有我们和功放厂家合作,做了一个经测试的功放库。”翁经理表示。

另外,ADI还提供小站的无线电参考设计,用来帮助用户缩短上市时间。“我们是一个智能系统分区。”翁经理解释道,“传统DPD解决方案是集成在FPGA上。因为Tx综合带宽一般是3到5倍的信号带宽,所以需要运行非常多的高速数据通道。当你把DPD集成在收发器上以后,好处是,首先,节省了Obs Rx通道——Obs Rx可以在内部做环回。其次,从FPGA到收发器,Tx不需要5倍,只需要1倍。比如,如果原来数据速率是61.44Mbps,那在那种情况下就需要307.2Mbps的数据速率(乘以5),而在这种情况下就只需要运行61.44Mbps。这就是为什么SERDES通道可以从8条减到4条,甚至2条,功耗可以节省600毫瓦。”

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“在Massive MIMO的情况下可以节省得更多。比如64T64R,乘以32(因为每一个收发器上有两个通道),Tx 384条SERDES通道就可以降低到只需要128条SERDES通道,那就是很大的数量减少,总共可以节省19W功耗。”翁经理补充。

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AD9375虽然没有直接的竞争对手(因为是业界首款),但是市场上确实有一些外部DPD的解决方案,即在FPGA上合成的方案。相对于竞争方案而言,DPD集成式的解决方案系统功耗最低,电路板面积最小,系统成本最低(虽然收发器的成本增加,但FPGA的成本可以降低)。

DPD现在在FPGA上只有Xilinx有,Altera没有,因此用户在采用其他方案设计产品时只能采用Xilinx FPGA。而如果采用AD9375这样的内置DPD方案,用户既可以采用Xilinx FPGA,也可以采用Altera。

另外,RadioVerse里还提供功放测试报告。ADI和主流的功放厂家如NXP、Skyworks合作。它们采用ADI的DPD来对其PA进行线性化测试,测试后为ADI提供有关DPD前和DPD后结果的测试报告。这样,用户在选择某款功放后,就知道怎么用ADI的DPD来线性化功放。

下图是AD9375小站的参考设计(使用的是Skyworks的高效率PA)。“参考系统的意义主要是为了帮助客户产品快速上市。我们有合作伙伴可以帮助,比如客户如果希望配置到其他频段,我们有第三方可以帮助实现。”翁经理补充说。

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