塑造新的eNode发射器架构：模拟集成挑战

模拟集成在应对LTE-Advanced无线电工程师面临的新挑战方面发挥着重要作用。第三代合作伙伴计划（3GPP）正在开发LTE-Advanced标准的第3版（Rel-12）。12GPP Rel-3 包括对 12G 无线接入技术的许多增强功能，包括宽带载波聚合、多层空间复用和高级天线配置。Rel-4增强功能将挑战无线电设计人员集成更多的RF发射器通道，从而实现更小，更低功耗和更高性能的eNodeB基站。射频模拟集成和颠覆性无线电架构的进步可以帮助工程师成功克服集成挑战。

介绍

本应用笔记系列分为两部分，回顾了第四代长期演进（4G-LTE）蜂窝标准的新发展。该系列探讨了LTE-Advanced （LTE-A） Release-12 （Rel-12）功能以及对eNodeB射频（RF）发射器的影响。应用笔记揭示了模拟集成如何克服最新4G开发带来的设计挑战。每个应用笔记的末尾都附有技术术语表。

关于技术演进的第1部分应用说明探讨了推动全球采用LTE标准的市场力量以及第四代（4G）无线接入技术的趋势。读者将了解第三代合作伙伴计划 （3GPP） Rel-3 规范中概述的工作项。主题包括载波聚合 （CA）、下行链路空间复用和有源天线系统 （AAS）。

本应用笔记第2部分探讨了4G基站中的模拟集成挑战。Rel-12 特性，如宽带下行链路载波聚合、下行链路多输入多输出 （MIMO） 空间复用和带嵌入式射频的 AAS，为下一代 eNodeB 无线电带来了新的设计挑战。引入了一种颠覆性的比特到RF解决方案，可以帮助工程师塑造替代无线电发射器架构。讨论的重点是新型RF数模转换器（RF-DAC）技术，该技术可产生单芯片宽带RF发射器解决方案。读者将了解RF-DAC的系统级应用及其为eNodeB无线电设计带来的集成优势。

概述

关于LTE和LTE-A Rel-12背景的一些要点必须从第1部分应用笔记中总结出来。这个简短的题外话将是引导读者应对最新4G发展带来的设计挑战的最佳方式。

LTE被公认为发展最快的移动宽带技术，并成为全球采用最广泛的蜂窝标准。无线服务提供商在全球范围内采用LTE的速度已经超过了之前的2G和3G部署。LTE的普及主要是由于其高频谱效率和高峰值数据速率，基于IP的低延迟网络和演进路线图。但LTE不是“真正的4G”服务，从技术上讲仍被认为是3.9G。

被称为国际移动通信高级（IMT-Advanced）的“真正的4G”无线电通信标准必须满足国际电信联盟无线电部门（ITU-R）规定的要求。IMT-Advanced将4G定义为一种服务，可为高移动性用户提供100Mbps峰值数据速率，为低移动性客户端提供1Gbps峰值数据速率。为了符合IMT-Advanced的愿景，自3年发布最初的LTE Rel-8标准以来，2008GPP已经开发了许多增强功能。

在Rel-10中，3GPP将LTE-Advanced作为“真正的4G”服务引入，以满足或超过IMT-Advanced的要求。目前，Rel-12已接近推出，计划于2015年1月进行功能冻结。图10显示了LTE开发时间表，可以看出理论上的峰值下行链路（DL）和上行链路（UL）数据速率分别提高了约20倍和300倍，从Rel-75中的DL = 8Mbps / UL = 3Mbps增加到Rel-1中的DL = 5Gbps / UL = 10.10Gbps。峰值数据速率的显著提高部分是由于宽带CA与Rel-12中引入的多层空间复用相辅相成，现在是Rel-<>增强功能的重要组成部分。

图1.LTE发布时间表显示了无线接入技术的演进进步。

Rel-12增强功能将显著影响演进的NodeB（eNodeB）无线电的设计方式。一些重要的 Rel-12 项目包括载波聚合的新组合、下行链路 MIMO 的空间多路复用增强以及 AAS 所需的射频要求。图 2 总结了 Rel-12 的一些项目及其各自的功能和优点。Rel-12 功能增强为 LTE 生态系统带来了许多好处，同时也带来了新的无线电设计和无线电架构挑战。

图2.发行版 12 工作项的功能和优点。

宏基站中的射频发射器集成挑战

在4G宏蜂窝基站中，与2G/3G基站相比，采用具有多层空间复用的下行链路MIMO或部署具有嵌入式RF的AAS可以将发射器信道密度分别提高3倍或32倍。在不久的将来，使用多列450D天线阵列，每个扇区的无线电信道数可能会增加到2个或更多。使eNodeB信道密度趋势更加复杂的是对宽带频率捷变发射机的要求。通用硬件 eNodeB 无线电平台必须支持 2MHz 至 7.41GHz 的 LTE 频段覆盖，并具有 Band-100/Band-<> 覆盖路线图，并支持高达 <>MHz 的 CA 带宽。显然，需要技术颠覆，以促进多通道、高性能无线电发射器集成到空间受限、功率受限和成本敏感的应用中，如远程无线电单元、集成天线无线电、AAS 和传统基站收发器 （BTS） 线卡。

射频 DAC 发射器解决方案

使用高速RF DAC进行直接比特到RF转换是eNode发射器的技术颠覆。RF-DAC 分区使用直接数字频率合成 （DDS） 将正交调制器、捷变本振和信号滤波模拟功能移入数字域（图 3）。带DDS分区的RF DAC利用摩尔定律。它利用了这样一个事实，即数字工艺在功耗更低、速度更快、芯片面积更小、成本更低方面比模拟工艺扩展得更好。然而，只有实现从数字域到模拟域的直接信号转换，才能实现摩尔定律的好处。RF DAC是使之成为可能的技术，因为它桥接了数模域。RF DAC通常被描述为一种混合信号器件，在多个奈奎斯特区工作，转换速率高于1.5Gsps，以执行直接位到RF信号合成。RF DAC在500.2GHz或更高的载波频率下合成至少0MHz信号带宽的输出信号。

图3.图中显示了RF发送器架构从传统的复中频产品阵容（顶部）转向单芯片RF DAC方案（MAX5868，底部）。

射频 DAC 发射器的优势

与传统的RF发射器架构（图4）相比，如零中频（Zero-IF）、复中频和实中频，RF-DAC架构解决方案占用的印刷电路板（PCB）面积更小，物料清单（BOM）元件更少。它以较低的功耗运行，并提供出色的动态性能。

图4.射频发射器架构选项。

在RF性能方面，RF DAC与其他拓扑相比具有显著优势。在DDS中实现的数字上变频（DUC）消除了增益相位误差，并在无LO泄漏的情况下实现了完美的载波抑制。结果是在传输高阶调制（如 QAM64）时具有出色的 EVM 性能。正交NCO使RF DAC成为能够在整个LTE频段频谱上进行调谐的敏捷发射器。由于RF DAC具有宽带和频率捷变性，具有高动态范围，因此单个器件可以合成多载波、多频段和多标准信号，包括GSM、WDMA和LTE。现在，设计人员可以实现全数字软件定义无线电，并在多个eNodeB无线电平台上使用通用硬件。

直接变频RF-DAC技术的另一个好处是，它允许工程师使用成本较低的数字预失真（DPD）观测接收器。宏蜂窝基站使用 DPD 技术进行射频功率放大器 （PA） 线性化。这需要一个PA观察接收器通道，如图3所示，来监控PA输出。观察接收器检测PA失真产物，并与预失真器配合使用，以补偿互调和相邻通道漏电功率。通常，DPD带宽扩展要求DPD观测接收器带宽是数据带宽的五倍。在100MHz CA应用中，这意味着DPD带宽必须至少为500MHz。此外，观测接收器无法向观测信号添加损伤，因为它们无法从主TX路径损伤中辨别出来。因此，DPD观察路径必须具有出色的线性度，这会增加成本和电路复杂性。相反，如果主TX路径的损伤可以忽略不计，则可以纠正DPD路径损伤。

回想一下，RF-DAC不会引入增益或相位误差，因此TX路径损伤可以忽略不计。因此，可以采用低成本和低性能的DPD接收器，如零中频（ZIF）接收器。与高中频或直接RF采样相比，ZIF架构成本更低有三个原因：（1）正交解调可实现较低的转换速率、基带采样、双通道高速ADC，因为它只需要量化DPD扩展带宽的一半;（2）ADC采样基带信号，而不是高中频或直接RF，这意味着ADC不需要皮微或毫微秒孔径抖动;（3）与IF或RF滤波器相比，基带I/Q抗混叠滤波器成本更低，设计更易于设计。总之，RF-DAC发射器放宽了DPD接收器的信号路径性能要求;从而进一步降低系统成本和设计复杂性。

MIMO 应用中的 RF-DAC

LTE Rel-8 在用户设备 （UE） 类别 2 至 2 中建立了对 2x4 MIMO 的支持。UE类别表示用户设备可实现的数据速率的能力。Rel-8还引入了4x4 MIMO，以实现15位/秒/赫兹的下行频谱效率，并提供300Mbps的峰值数据速率。Rel-10 通过 8x8 MIMO 对此进行了扩展，以实现 30 位/秒/Hz 效率和 3Gbps 下行链路数据速率。Rel-12 为 MIMO 天线方案引入了进一步的增强功能。

MIMO 的采用可以被视为 eNodeB 无线电发射机信道倍增器。请注意，8x8 MIMO 的无线电信道密度是 4x4 MIMO 的两倍，是 2x2 MIMO 密度的四倍。这可以称为“MIMO乘法效应”。随着 4G 网络发展到支持多种天线配置，MIMO 发射器通道的数量将成倍增加。MIMO 倍增效应使电路尺寸成为 eNodeB 发射器的关键设计因素。

图5比较了2X2 MIMO应用中典型零中频发射器与RF DAC发射器的PCB面积。RF DAC系列是一个明显更小的解决方案;它通常占用的PCB面积减少60%，元件数量减少75%。RF DAC使设计人员能够在不增加PCB面积的情况下提高无线电发射器通道密度。通过集成，它降低了BOM成本并减少了库存。此外，这种低元件数解决方案最大限度地减少了IC互连的数量，从而降低了走线布线的复杂性并放宽了元件放置要求。设计人员将获得PCB布局灵活性，提高首次设计成功的可能性，缩短上市时间缩短设计时间，并通过更少的潜在故障点获得更高的可靠性。

图5.2x MIMO零中频发送器和MAX5868 RF DAC发送器之间的PCB面积比较注意：AQM = 模拟正交调制器;LO = 本振（PLL/VCO 频率合成器）;VGA = 可变增益放大器;I/Q滤波器=多极，差分。图表不是按比例缩放的。

如上所述和图5所示，RF-DAC在2x2 MIMO应用中的优势令人印象深刻。在 8x8 MIMO 应用中应用 “MIMO 乘法 效应” 可 发现 RF-DAC 架构 的 显著 优势。RF-DAC 发射器在实现这种 PCB 面积减小方面无与伦比，使其成为 eNodeB 应用的理想 MIMO 发射器解决方案。

用于下行链路载波聚合的RF DAC

单个RF DAC发射器可以在一个频段或多个频段内合成五个20MHz分量载波，支持带内或带间CA。 图6显示了40MHz带间Rel-12 CA场景，RF DAC合成两个20MHz分量载波，一个位于频段1（2110MHz至2170MHz），另一个位于频段3（1805MHz至1880MHz）。在此CA应用中，单个RF DAC同时合成60MHz频段-1和75MHz频段-3频谱内的分量载流子。由于RF DAC是超宽带的，因此RF输出跨越从365MHz到1805MHz的整个2170MHz带间间隔。

图6.载波聚合场景，MAX5868 RF DAC同时合成两个载波分离为20MHz的365MHz分量载波。

前面描述的传统架构（即ZIF、complex-IF和real-IF）无法通过单个设备提供这种级别的宽带性能。例如，支持图6（CA_1C_3C）中所述的带间非连续CA场景的传统窄带发射器需要两个完整的RF信号路径阵容。每个信号路径由多个带滤波功能的RFIC器件组成。每个信号路径专用于单个分量载波（CC1 和 CC2）。代价是设备数量增加一倍，PCB尺寸更大。

或者，例如，传统的宽带中频发射器只需要一个RF信号链系列，但包含多个器件：高中频DAC、中频滤波器、混频前置放大器、上变频混频器和LO合成器。此外，由于宽带混频器的线性度要求，所有LTE频段的覆盖范围成为设计障碍。Real-IF系列必须使用特定频段的混频器来覆盖460MHz至2.2GHz的LTE频段，或者使用具有超高线性度的单个高功耗宽带混频器。与RF-DAC解决方案相比，这两种方法都需要更多的硬件并占用更多的PCB面积。

因此，对于下行链路CA应用，宽带RF DAC发射器的重要系统级优势包括：LTE频段覆盖范围高达2.2GHz，IC器件明显减少，没有IF或基带模拟滤波器，以及占用尽可能小的PCB面积。

射频 DAC AAS 设计示例

案例研究重点介绍了AAS设计中典型的RF DAC发送器应用。如前所述，具有嵌入式RF的AAS为每个交叉极化天线元件专用于无线电收发器。以具有16个交叉极化元件的双柱并排天线阵列为例。共有16个带DPD（2DPD）的双通道RF收发器（2T2R），如图7所示。

图7.装配图显示了由16个交叉极化天线元件组成的有源天线系统的尺寸。

每个收发器中的TX信号路径都有自己的RF PA，通常为5W，总功率输出为80W。高频段天线尺寸为 305 毫米（宽）x 1270 毫米（长）x 178 毫米（深）。天线内部电子设备的可用面积小于2062平方厘米。在允许机械间隙后，16 个收发器（包括其电源管理、所有测量/控制功能和射频双工器）中的每一个都需要占用大约 130 平方厘米的 PCB 面积（图 8）。

图8.每个AAS无线电收发器（2T2R+2DPD）必须占用约130平方厘米。

从本质上讲，一个完整的2T2R+2DPD eNodeB无线电收发器必须缩小到典型鞋盒的一半。为了克服这种尺寸限制，其明显的密集RF集成是下一代AAS无线电的关键设计参数。此外，在AAS应用中，功耗和散热变得至关重要，因为RF收发器通道数高，天线单元被动冷却，系统暴露在室外高温下。RF DAC发射器的功耗比传统架构低约1W。由于天线有 32 个物理发射器通道，因此每个 TX 通道节省 1W 的功率相当于每个天线系统节省 32W 的功率。这种节能和减少的散热在室外塔式AAS安装中非常重要，其中紧凑的尺寸和高可靠性至关重要。对于AAS应用，RF DAC发射器可显著节省功耗并大幅减小尺寸，同时提供前面描述的所有系统级优势。

结论

未来五年，移动数据流量和移动宽带用户数量预计将呈指数级增长。多媒体广播、高清视频和文件共享等新的带宽密集型移动服务将增加对更高峰值数据速率的需求。但可用的蜂窝频谱既有限，又是必须有效利用的宝贵资源。此外，为了保持竞争力，移动网络运营商必须以最低的每比特成本提供最高质量的服务。对于长期盈利能力，LTE-Advanced显然是无线服务提供商的首选投资。3GPP Rel-12中概述的无线接入技术解决了服务提供商维持4G移动宽带需求所需的峰值数据速率、频谱利用率和网络效率问题。然而，宽带CA、带嵌入式RF的AAS和高阶下行链路MIMO给eNodeB无线电设计人员带来了新的集成挑战。

射频模拟集成对于克服4G基站中的无线电集成挑战至关重要。新型RF DAC直接变频发射器是一种技术颠覆，与传统解决方案不同;它为无线电工程师提供了塑造替代eNode发射器架构的方法。与传统的RF发送器相比，像MAX5868这样的RF DAC降低了系统成本和复杂性，占用的PCB面积更小，功耗更低，LTE频段覆盖高达2.2GHz，具有超宽带性能。为了成功部署LTE-Advanced Rel-12功能，每个参数对于下一代eNode发射器都至关重要。

审核编辑：郭婷