现代基地台的无线电组件都已经设计成能支持多个演进通用陆地无线接入(E-UTRA)频段
为因应无线数据传输不断成长的需求，现代基地台的无线电组件都已经设计成能支持多个演进通用陆地无线接入(E-UTRA)频段，以及各种载波聚合技巧。
这些多频段无线电运用新一代的GSPS射频ADC与DAC，除了能灵活使用频段和直接合成射频讯号，还能运用多种取样技巧。 为应付射频无线频谱分散的特性，故采用精密DSP发送器，高效率地将数据位转换至射频讯号，以及在接收端将射频讯号转回数据位。 本文即将介绍一个多频段应用的直接射频发送器，并探讨其中DSP的组态，以及功率与带宽之间的取舍。
经过10年与两代的无线标准之后，许多事物已改变。 或许不像吸引消费者目光的智能型手机，被归类于用户设备(UE)的基础设施基地台(eNodeB)这种无线电存取网络(RAN)里的设备经历自己的转型，以因应联网化世界耗用大量数据的需求。
有效利用多频段无线电
从2G网络的GSM到4G网络的LTE，手机频段的数量成长了10倍(从4个增加到超过40个)。 LTE网络推出后，基地台供货商发现无线电衍生版本的数量竟增加了数倍之多。 LTE-advanced对多频段无线电的需求加重，加入了载波聚合，在同一个频段中混用多个不连续的频谱，或更重要的是，混用数个不同频段中不连续的频谱，在同一个基频段调制解调器中加以聚合，就像使用单一连续频段一样。 然而，射频频谱是分散不连续的。 图1显示多个经载波聚合的频段组合，其突显出分散频谱的问题。 图中浅色显示跨频段空隙，深色代表我们关注的频段。 根据信息论，系统不会浪费功率去转换不想用的频谱。 有效率的多频段无线电，意谓着在模拟与数字领域之间转换这种分散的频谱。
图1 不连续频谱的载波聚合，突显出频谱分散的问题。 图中深色代表须取得执照的频段，浅色代表跨频段的空隙。
基地台发送器演进成直接射频
为让4G LTE网络能应付更多的数据使用量，广域网基地台在无线电架构方面经历一波演进。 包括超外差、窄频、中频取样无线电结合混波器与单信道数据转换器，如今都已被I/Q调制类型的架构所取代，这类提供倍增带宽的架构包括复合中频(CIF)以及零中频(ZIF)。 ZIF与CIF收发器需要模拟I/Q调变器/解调变器，以及双信道与四信道数据转换器(图2)。
然而，这些带宽更大的CIF/ZIF收发器也有本地振荡讯号泄露(LO Leakage)、以及正交误差镜像(Quadrature Error Images)等问题必须修正。
幸运的是，数据转换器取样率在过去10年也增加了30至100倍，从2007年的100 MSPS提高到2017年的10GSPS以上。 GSPS等级射频转换器出现更高的取样率，这类组件拥有极高的带宽，故能灵活运用频段的软件定义无线电能迈入实际运用阶段。
对于sub-6GHz无线电BTS架构而言，长久以来的终极目标就是直接射频取样与分析。 直接射频架构能省去模拟频率转换组件，像是混波器、I/Q调变器以及I/Q解调变器，而这些组件本身就是许多寄生讯号的来源。 数据转换器直接链接射频频率，而所有混波程序都能以数字模式由内建的数字升频/降频(DUC/DDC)完成。
多频段效率来自精密DSP，这些内建于ADI旗下射频转换器的组件不仅只针对想使用频谱频段进行数字频道化，还能同时存取所有射频带宽。 运用并列式DUC与DDC，结合内插/外抽(Decimating)升频/降频取样器、半频段滤波器以及数值控制振荡器(NCO)，在模拟与数字领域之间进行转换之前，目标频段就能以数字模式进行建构/解构。
并列式数字升频/降频架构能将数个频段的目标频谱(如图1的深色)进行频道化，不会浪费宝贵的周期来转换没用到的跨频段频谱(如图1的浅色)。 高效率的多频段频道化有助于降低数据转换器的取样率，以及透过JESD204B数据总线传送讯号所需的串行链路数量。 降低系统取样率能降低基频处理器的成本、耗电，以及散热管理的要求，进而节省整个基地台系统的资金与营运成本。 在一个高度优化CMOS ASIC上实作频道化DSP也能达成以上效果，而且远比在泛用FPGA架构上进行实作来得更加省电，即使FPGA采用更微缩的制程也是如此。
直接射频发送器搭配DPD接收器
射频DAC成功取代这些下一代多频段BTS无线电内的中频DAC。 图3显示一个直接射频发送器的例子，这个发送器内含AD9172，这个16位12GSPS射频DAC运用3个并列DUC支持三频段频道化。 能在1200MHz带宽上弹性配置多个子载波。 另外在射频DAC方面，ADL5335 Tx VGA提供12dB的增益以及31.5dB的衰减，范围最高达4GHz。 这个DRF发送器的输出能用来驱动功率放大器，用户可根据eNodeB的输出功率需求来选择功率放大器。
图3 直接射频发送器。
像AD9172这样的RF DACS就内含精密DSP模块，以及并列式数字升频频道分离器(Upconverting Channelizers)，高效率地进行多频段传输。 来看图4显示的Band 3与Band 7情境，运用两种不同方法将数据流直接转换成射频讯号。 第一种方法(宽带方法)没有进行频道化就能合成多个频段，需用到1228.8MHz的数据传输率。 这个带宽的80%会产生一数字预失真(DPD)的983.04MHz合成带宽，足以传送两个频段，其频段间隙为740MHz。 这种方法的优点是适合DPD系统，不仅能针对每个载波的跨频段互调失真(IMD)进行预失真处理，也可对欲使用频段之间出现的非线性发射加以处理。
图4 双频段情境：Band 3(1,805MHz至1,880MHz)与Band 7(2,620MHz至2,690MHz)。
第二种方法是合成这些频道化的频段。 由于这些频段的宽度只有60MHz至70MHz，加上电信营运业者只拥有部分频段的执照，因此无法在所有频段上同时传送以达到高数据传输率。 所以，改用较适合的153.6MHz数据传输率，其中的80%产生122.88MHz的DPD带宽。 如果电信商在每个频段上拥有20MHz的执照，仍有足够的DPD带宽来对每个频段的跨频段IMD进行五阶(5th-Order)校正。 这种模式在上述的宽带方法中，除了能在DAC节省250mW的电力，基频处理器也更省电/减少散热资源的需求，因此能减少串行链路数量，开发出更小、更低成本的FPGA/ASIC组件。
另外，数字预失真的观测接收器也进化成直接射频(DRF)架构。 AD9208这款14位3 GSPS射频ADC亦透过并列DDC支持多频段信道化。 发送器DPD子系统中的射频DAC与射频ADC也有许多好处，其中包括共享转换器频率，消除相关相位噪声，以及系统的整体简化。 其中一项简化就是AD9172射频DAC配合内建的PLL，能从一个低频参考讯号产生12GHz的频率，故不须在无线电机板上绕送高频频率讯号。 此外，射频DAC能输出一个相位一致的除频(Divided Down)频率回馈给ADC。 藉由开发优化的多频段发送芯片组，这样的系统功能可以真正提升BTS数字预失真系统。
在智能型手机掀起革命十年之后，手机企业目光焦点全都在数据吞吐量。 要提高数据吞吐量，就必须用多个频段进行载波聚合，藉此榨出更多频谱带宽。 射频数据转换器除了能存取整个sub-6GHz手机频谱，还能针对不同频段组合快速重新设定，实现软件定义无线电的功能。 这些灵活调用频率的直接射频架构能降低产品的成本、尺吋、重量以及功耗。 这点让射频DAC发送器与射频ADC数字预失真接收器成为sub-6GHz多频段基地台的理想架构。
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