用于實(shí)現O-RAN無(wú)線(xiàn)解決方案的5G技術(shù)設備

主要無(wú)線(xiàn)電元件

在過(guò)去10年，集成式收發(fā)器已發(fā)展成為高性能平臺。 ADI RadioVerse? 系列包含多種集成式收發(fā)器，它們支持高達200 MHz占用帶寬，集成了DPD等先進(jìn)功能。該系列產(chǎn)品不僅滿(mǎn)足5G技術(shù)設備的要求，也一如既往地支持LTE和多載波GSM RF要求。對于這些設備，雖然我們在不斷進(jìn)行新一代的開(kāi)發(fā)，最新一代如圖2所示，為 ADRV9029，是一種4T4R配置。還提供其他產(chǎn)品，包括帶和不帶集成式DPD，以及采用包括2T2R在內的其他配置的設備。

圖2. ADRV9029收發(fā)器

每款RadioVerse設備都包含構建完整無(wú)線(xiàn)電所需的一切（LNA和PA除外）。這包括發(fā)送和接收、合成器和時(shí)鐘等所有功能。還包括運行AGC和增益控制放大器所需的狀態(tài)機和VGA。雖然RadioVerse產(chǎn)品都使用高達6 GHz的寬帶，但LNA和PA并非如此，必須制定頻段或頻率范圍。因此，為了完成無(wú)線(xiàn)電設計，必須將合適的LNA和PA與RadioVerse IC配對。以下章節將描述5G NR小型蜂窩的接收和發(fā)送信號鏈，并對如何選擇這些設備提供一些見(jiàn)解。

接收器信號鏈示例

ADRV9029與 ADRF5545A 組合使用時(shí)（如圖3所示），可以輕松構建2芯片接收器。 ADRF5515 引腳兼容，也可以使用。它與幾個(gè)無(wú)源元件組合，就可以構成非常緊湊的高性能接收器設計，如圖4中的信號鏈所示。此架構的關(guān)鍵優(yōu)勢在于可能達到高水平集成，如此不但可以實(shí)現極低的實(shí)施成本，還能使功耗降至最低。⁴

圖3. ADRF5545A雙通道TDD接收器前端

圖4. 接收器信號鏈詳情

RadioVerse系列的架構取消了經(jīng)典接收器設計中常使用的許多元件，包括一些RF放大、濾波和剩余大部分無(wú)線(xiàn)電功能的集成，包括通道濾波器（模擬和數字）和基帶放大器。這些元件通常是系統中最大、功率最高的設備，相比包括直接RF采樣在內的其他架構，此架構可以顯著(zhù)節省成本。

如圖4所示，小型蜂窩接收器系列包括環(huán)形器（適用于TDD應用）、ADRF5545A、SAW/BAW（表面聲波/體聲波）或整體式濾波器、巴倫和收發(fā)器。鑒于A(yíng)DRV9029和RadioVerse系列中的其他產(chǎn)品具有出色的噪聲性能和低輸入IP1dB，所以無(wú)需使用其他放大器或VGA。使用這個(gè)信號鏈之后，從天線(xiàn)到數據比特位，可以支持整個(gè)系統低至2 dB的噪聲系數。雖然此設計中包含一個(gè)集成式RF前端模塊(FEM)，但許多設計仍然使用分立式設計（此處不予詳述）。集成式FEM利用集成來(lái)滿(mǎn)足天線(xiàn)濾波器稍微提高的濾波器要求，但仍然提供對于許多高度集成的解決方案來(lái)說(shuō)具有吸引力的設計，例如大規模MIMO和其他TDD部署。通常，使用分立式前端來(lái)實(shí)現FDD設計。

假設LNA之前的耗損為約0.5 dB，如果帶濾波器的耗損為1 dB，根據兩款有源設備的數據手冊規格，則整個(gè)接收器信號鏈的標稱(chēng)NF應為約2 dB。假設與MCS-4一致的信噪比和信納比為0 dB，那么G-FR1-A1-1 5G載波(~5 MHz)的參考靈敏度為約–104.3 dBm。這足以滿(mǎn)足章節7.2.2中38.104的廣域傳導要求，且留有余量，對局域/小型蜂窩來(lái)說(shuō)也綽綽有余，如表1所示，在這種情況下需要–93.7 dBm。一些低性能小型蜂窩應用可能能夠使用單級LNA，例如GRF2093，后接一個(gè)SAW濾波器。

表1. 38.104接收器分類(lèi)

此外，38.104章節的7.4.1要求在低于–52 dBm（廣域）ACS阻塞下，接收器的衰減不超過(guò)6 dB。根據圖5所示的NF與輸入電平，在–52 dBm時(shí)產(chǎn)生的額外噪聲并不比在更低電平下產(chǎn)生的噪聲多。事實(shí)上，本底噪聲在Blocker信號達到–40 dBm后才會(huì )上升，非常適合需要–44 dBm容差的局域ACS。

圖5. 接收器NF與輸入電平

一般阻塞要求(7.4.2)要求對相關(guān)頻段內的接收器施加–35 dBm（局域）的干擾，偏移為±7.5 MHz，衰減不得超過(guò)6 dB。從圖5顯示的ADI公司的信號鏈的性能來(lái)看，衰減僅為約0.9 dB。窄帶阻塞是一種功率稍低的CW類(lèi)阻塞，但這也不是問(wèn)題。

章節7.5.2中的帶外阻塞可能算是一種更為有趣的挑戰。其中，–15 dBm信號被傳輸至天線(xiàn)輸入。對于頻率低于200 MHz的小型蜂窩，此信號最接近頻帶邊緣的頻率為20 MHz。測試要求對1 MHz至12.75 GHz范圍進(jìn)行掃描，不包括20 MHz工作頻率以?xún)鹊念l段。這里，有幾個(gè)因素會(huì )推動(dòng)信號鏈產(chǎn)生優(yōu)勢。第一，環(huán)形器具有有限帶寬，會(huì )拒絕許多帶外信號，但包含在內的信號不會(huì )產(chǎn)生很大影響。第二，ADRF5545A之后的濾波器會(huì )提供一定程度的濾波，一般來(lái)說(shuō)，對于帶外20 MHz，~20 dB抑制是合理的。第三，ADI收發(fā)器系列獨有且最有用的特性要屬內置的帶外抑制，這是收發(fā)器結構固有的特性。在A(yíng)DI公司應用筆記 AN-1354的圖20中，固有的帶外抑制被表示為增加的阻塞信號電平。在該應用筆記中，圍繞通帶任一方向的頻率掃描顯示，在相同等級的衰減下，可以支持更大的信號。在該應用筆記中可以看到，在靠近頻帶邊緣的位置，6 dB衰減可以對應10 dB。之后，集成式濾波器對帶外信號進(jìn)行大幅衰減，這些信號不會(huì )在帶內混疊，主要被片內濾波和外部濾波衰減。

這些模塊將–15 dBm帶外干擾濾波到約–40 dBm至–45 dBm，直到20 MHz排斥帶。繼續向前，可能受到更高的抑制。在這個(gè)階段，圖5顯示出現的衰減可能非常小。

前端模塊的線(xiàn)性度可能是更大的問(wèn)題。此時(shí)，可能得出很大的IM3產(chǎn)物。根據實(shí)際選擇的FEM，可能需要將頻帶選擇濾波器移動(dòng)到第二個(gè)LNA之前，以保護其不受帶外信號影響，這通常會(huì )產(chǎn)生較大的IM產(chǎn)物。無(wú)法在這類(lèi)FEM的級之間放置濾波器，所以需要采用備用選項。

為了幫助限制大型帶外阻斷器的互調的影響，典型的FEM包含二級旁路開(kāi)關(guān)，用于降低增益和保護二級不會(huì )被驅動(dòng)產(chǎn)生非線(xiàn)性，如圖3所示。切換LNA增益使信號鏈SNR降低1 dB，但限制這些大型阻斷器引起的交調失真有助于保護整體動(dòng)態(tài)范圍，抵消噪聲性能的損失?？傮w而言，如此產(chǎn)生的最差NF為約5.7 dB，這仍然在參考靈敏度的局域（小型蜂窩）覆蓋范圍要求之內。剩余的濾波器要求由天線(xiàn)濾波器提供，抑制可以根據接收器FEM的低增益壓縮點(diǎn)和IP3決定。

變送器信號鏈示例

將ADRV9029和合適的RF驅動(dòng)放大器，或RFVGA組合使用時(shí)（訪(fǎng)問(wèn) analog.com/rf 了解更多選項），可以輕松構建合適的PA、緊湊的室內微微蜂窩、室外微微蜂窩或室外微蜂窩5。這些5G技術(shù)設備與幾個(gè)無(wú)源元件組合，就可以構成非常緊湊且高效的變送器設計，如圖6中的信號鏈所示。此架構的關(guān)鍵優(yōu)勢在于可能達到的高水平集成，通過(guò)使用所選的ADI收發(fā)器具備的集成式DPD功能，不但可以實(shí)現極低的實(shí)施成本，還能使功耗降至最低。

圖6. 變送器信號鏈詳情

如圖6所示，小型蜂窩變送器系列由環(huán)形器、PA、濾波器和收發(fā)器組成。此外，電路的PA輸出端中包含一個(gè)耦合器，用于監測輸出失真（也可以用于監測天線(xiàn)的VSWR和正向功率），可以配合DPD使用，以改善發(fā)送功能的運行效率，以及改善雜散性能。雖然可以使用外部DPD，但選擇的ADI收發(fā)器包含完全集成的DPD，該DPD采用350 mW或更低的增量功率，具體由給定的PA所需的校正量決定。低功率PA需要進(jìn)行的校正較少，所以DPD消耗的功率更低。此外，由于DPD的帶寬擴展完全在收發(fā)器內部進(jìn)行，觀(guān)察接收器SERDES路徑被完全取消，變送器有效載荷降低，使得集成式DPD將SERDES路徑的數量降低至外部基帶芯片的一半。FPGA中的等效DPD通常具有10倍以上的功率，對于低功耗小型蜂窩和大規模MIMO來(lái)說(shuō)是無(wú)效或低效的。但是，通過(guò)將DPD集成到收發(fā)器中，非常低的功耗和低成本使得DPD能被用于低功耗小型蜂窩中，可以在不增加外部計算負擔的情況下提高效率和變送線(xiàn)性度。

圖7和圖8顯示ADI的DPD用于低功耗和中功耗小型蜂窩應用的示例。圖示的激勵源是針對5個(gè)相鄰的20 MHz LTE載波，總共100 MHz。一般來(lái)說(shuō)，LTE要求最低達到45 dB ACLR，大多數部署都可以超過(guò)此值。ADI運行一個(gè)連續測試實(shí)驗室，始終會(huì )檢查所有功率等級的新PA。查看 功率放大器測試報告，或咨詢(xún)工廠(chǎng)，獲取ADI提供的可用的DPD技術(shù)的最新信息，以及最近通過(guò)測試的PA的列表。

圖7. 帶和不帶DPD的典型PA頻譜，RF總和為26 dBm

圖8. 帶和不帶DPD的典型PA頻譜，RF總和為37 dBm