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5G RF前端设计挑战及其解决方案

2021-09-18 Steve Taranovich 阅读:
5G旨在支持更高的数据速率和大流量;除此之外,连接设备的大量增长可满足非常多样化的用例和要求。为了满足无线数据流量容量的巨大提升,频谱效率和重用、更高的速度和更低的延迟是射频前端设计的主要考虑因素。

模拟前端(AFE)也称为射频前端(RFFE),是一种通过集成高速放大器、接收模数转换器(ADC)和发射通路数模转换器(DAC)以及不断缩小的高频滤波器设计而使用智能分区架构的器件。AFE解决方案在5G基站和手机中都有所使用。JAgednc

更具体地说,在5G设计中,需要使用AFE以多输入多输出(MIMO)配置来支持多个发射通路和接收通路。因此,毫不奇怪,5G日益增加的复杂性,使具备开发此类复杂射频子系统专业知识的制造商的数量受到了限制。然而,与此同时,随着5G设计的成熟,越来越多的供应商正在加紧应对AFE挑战。JAgednc

这是因为5G网络将在小型、微型、微微和毫微微蜂窝设备中部署大量基站,从而支持适当的用户覆盖,因此,RF设计也就迎来了巨大机遇。5G网络还需要做到比2G、3G和4G更高的集成度和小型化,从而降低功耗和成本。JAgednc

5G技术的一个关键方面是它能对物联网(IoT)和工业物联网(IIoT)应用提供支持(图1)。AFE是这种带宽创新的核心。5G网络中增加的AFE带宽不再像以前的蜂窝网络那样只服务于手机;相反,5G甚至可以用作笔记本电脑和台式电脑的互联网服务。JAgednc

JAgednc

图1:5G的第16版中引入了新的功能,同时将5G AFE设计标准提升到了一个全新的水平。(来源:3GPP)JAgednc

5G中的AFE设计挑战

5G旨在支持更高的数据速率和大流量;除此之外,连接设备的大量增长可满足非常多样化的用例和要求。为了满足无线数据流量容量的巨大提升,频谱效率和重用、更高的速度和更低的延迟是AFE设计的主要考虑因素。JAgednc

谱效率和JAgednc

虽然6GHz以下频谱充斥着多种无线应用,但6GHz以上频谱,尤其是毫米波(mmWave)频段,因其可用带宽广而备受关注。JAgednc

为了支持在室外区域最具挑战性的毫米波频段进行传输,AFE的任务是改善高路径损耗、高氧气和水分吸收、通过树叶的损耗以及因雨而引起的衰落。为了克服毫米波频率中所有这些不利的信道特性,延长传输距离并提高服务覆盖范围,波束成形和波束跟踪是AFE设计中所使用的两项最关键的技术。JAgednc

速度JAgednc

速度是AFE设计中的另一个关键因素。5G AFE架构的运行速度高于之前的2G、3G或4G系统。目前的5G系统比4G LTE快十倍。5G的最高速度为10Gbps并具有达到20Gbps的强大潜力,而4G LTE的运行速度为1Gbps,3G的速度为42Mbps,2G的速度为0.3Mbps。JAgednc

延迟JAgednc

5G的RF前端架构中具有新的元素,这将提供更快速的访问和低延迟。5G AFE的延迟问题比以前的3G和4G版本都重要得多。5G的最小等待时间为1ms或更小。另一方面,4G系统的延迟为50ms到98ms,3G系统为212ms,2G则高达629ms。JAgednc

这就是新的5G服务现在使用超可靠低延迟通信(uRLLC)功能的原因,这在自动驾驶汽车、机器人控制、工厂自动化和车联万物(V2X)通信中的关键任务应用中尤其需要。JAgednc

迎接AFE设计挑战

RF芯片制造商已经通过使用新的AFE/RFFE来迎接这一5G设计挑战(图2)。这些AFE/RFFE中的数据转换器支持毫米波频段中可用的信道带宽,这将为射频架构的通用化提供机会,进而有望通过将数字/模拟鸿沟移近到天线而降低射频电路的复杂性。JAgednc

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图2:AFE7988/89的功能框图突显了5G设计中射频集成的新水平。(图片来源:TI)JAgednc

然后是ADI公司推出的面向大规模MIMO(M-MIMO)无线电的AD9081ADR554x射频前端,如图3所示。这些AFE极大地增加了在多个频段中同时运行的收发器通道的数量,同时将所有必要的硬件压缩到了更小的外形中。JAgednc

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图3:可使射频设计人员快速扩展其MIMO容量以满足5G带宽需求的集成式双通道架构。(图片来源:ADI)JAgednc

显然,由于需要支持的天线和频段数量众多,以及需要对大量设备实现足够覆盖,5G收发器必须充分利用集成优势来降低功耗和成本(图4)。JAgednc

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图4:5G AFE有四个TX/RX通路以及一个观察通道。(图片来源:Synopsys)JAgednc

5G AFE/RFFE的RF采样到天线的距离越来越近,并将简化和缩小无线电的外形尺寸并实现更高水平的集成。这反过来又使5G基站和智能手机设计中的直接射频采样成为现实。JAgednc

因此,随着5G设计不断缩小,先进封装和AFE/RFFE集成模块化将越来越接近现实。接下来,在不久的将来,随着采用太赫兹频率的6G的推出,我们还将看到更小的AFE外形。JAgednc

(本文授权编译自EDN电子技术设计姐妹网站Planet Analog,原文参考链接:5G RF front-ends: Design challenges and their solutions。由赵明灿编译。)JAgednc

本文为《电子技术设计》2021年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里JAgednc

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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Steve Taranovich
EDN资深技术编辑。Steve Taranovich是EE Time姊妹网站Planet Analog的主编,也是EDN的高级技术编辑。 Steve在电子行业拥有40年的从业经验。 他在纽约布鲁克林理工大学获得电子工程硕士学位,在纽约布朗克斯纽约大学获得BEEE学位。 他还是IEEE长岛教育活动委员会主席。 他在Burr-Brown和德州仪器公司工作多年,在模拟设计方面有丰富的经验,并有着嵌入式处理的教育背景。 Steve做了16年的电路设计工程师,随后他成为Burr-Brown Corp的首批现场应用工程师之一,并成为他们首批前往欧洲、印度和中国的全球客户经理之一。
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