射頻采樣技術(shù)的應(yīng)用

趙娜 秦浩 邵曉兵

【摘要】 本文基于通訊市場(chǎng)對(duì)通訊基站產(chǎn)品通訊質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求，介紹了射頻采樣技術(shù)在基站系統(tǒng)的應(yīng)用，通過(guò)基帶信號(hào)到射頻信號(hào)一次變頻技術(shù)提高產(chǎn)品的帶寬應(yīng)用的同時(shí)支持了多制式、多頻段的應(yīng)用，提高了基站發(fā)射載波數(shù)。隨著通訊業(yè)務(wù)量的不斷擴(kuò)充，射頻采樣將成為后續(xù)基站產(chǎn)品的優(yōu)選方案。

【關(guān)鍵詞】 射頻采樣 帶寬

一、背景技術(shù)

隨著通訊技術(shù)的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋率已經(jīng)成為各大運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)競(jìng)爭(zhēng)的主要指標(biāo)，目前基站的RRU單元射頻部分有兩種發(fā)展方向，一種是主要用于微站的高集成SOC芯片，單芯片使用零中頻技術(shù)集成了發(fā)射鏈路、接收鏈路和DPD反饋鏈路，主要解決市場(chǎng)對(duì)于微站的小型化低功耗的要求，目前此產(chǎn)品已經(jīng)逐步改進(jìn)優(yōu)化進(jìn)一步推廣于宏基站場(chǎng)景。

另外一種是應(yīng)用宏基站的射頻采樣芯片，主要解決系統(tǒng)不斷提高的帶寬要求，此產(chǎn)品目前已經(jīng)逐步在市場(chǎng)應(yīng)用推廣。在超寬帶、模擬數(shù)字化、小型化、5G系統(tǒng)等基站演進(jìn)中，射頻采樣技術(shù)可能成為一種方向性方案。

早期的通訊基站中的RRU產(chǎn)品支持的是單一的通訊頻段，不同的通訊制式配置單載波，且載波之間的間隔在通訊協(xié)議中也進(jìn)行了明確的規(guī)定。

隨著通訊用戶數(shù)的劇增以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持要求，不同制式的混模多載波應(yīng)用成為設(shè)計(jì)的必要關(guān)注點(diǎn)，為了在不增加基站設(shè)備數(shù)量的條件下支持更多的用戶，考慮通過(guò)拓寬基站輸出的帶寬以增加每通道輸出的信號(hào)的載波數(shù)從而實(shí)現(xiàn)用戶支持率的擴(kuò)充。本文所述射頻采樣技術(shù)支持了RRU產(chǎn)品射頻部分的寬帶實(shí)現(xiàn)，可以支持多制式、多頻段的寬帶應(yīng)用。

二、射頻采樣技術(shù)簡(jiǎn)介

射頻采樣技術(shù)在基站系統(tǒng)主要應(yīng)用于發(fā)射鏈路和接收鏈路。

下面主要介紹射頻采樣技術(shù)在基站系統(tǒng)的發(fā)射鏈路的應(yīng)用，主要完成數(shù)字基帶信號(hào)到通訊模擬射頻信號(hào)的一次變頻功能。

如圖1所示，對(duì)比傳統(tǒng)DAC+IQMOD+DVGA的鏈路結(jié)構(gòu)，射頻采樣采用RFDAC+DVGA的鏈路結(jié)構(gòu)，此應(yīng)用從鏈路結(jié)構(gòu)、器件數(shù)量、系統(tǒng)性能等各方面都有提升。

采樣時(shí)鐘的選取對(duì)于射頻采樣的應(yīng)用也很關(guān)鍵，首先需要保證采樣鏡頻信號(hào)遠(yuǎn)離主信號(hào)以便降低對(duì)信號(hào)選擇濾波器的抑制要求，其次需要規(guī)避時(shí)鐘的多次諧波和射頻信號(hào)的混頻信號(hào)，以便防止其采樣折疊后進(jìn)入射頻通道所在奈奈奎斯特區(qū)域成為干擾信號(hào)，影響射頻輸出雜散指標(biāo)，對(duì)于無(wú)法避免的落入的干擾信號(hào)需要查看器件指標(biāo)保證其大小滿足協(xié)議關(guān)于輸出的雜散要求。

不同公司的射頻采樣產(chǎn)品，時(shí)鐘在芯片中的設(shè)計(jì)差異導(dǎo)致實(shí)際的干擾信號(hào)的成分和大小存在差異，因此選用芯片時(shí)需要針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)選取。

目前的發(fā)射射頻采樣芯片有單通道和雙通道兩種，單通道的器件支持相同通訊頻段下不同制式的混模應(yīng)用，也支持不同通訊頻段下不同制式的混模應(yīng)用，不同的頻段的信號(hào)的總帶寬最大為器件支持的信號(hào)帶寬；對(duì)于雙通道的芯片應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)帶寬擴(kuò)充功能，即射頻采樣芯片兩個(gè)通道的數(shù)字部分處理兩組不同的基帶信號(hào)，在芯片內(nèi)部進(jìn)行合路之后再變頻輸出，這樣的實(shí)現(xiàn)方式完成了相同數(shù)據(jù)速率下，最終輸出的射頻信號(hào)帶寬是單通道輸出射頻信號(hào)帶寬的兩倍。

射頻采樣技術(shù)在接收鏈路的應(yīng)用較發(fā)射鏈路的應(yīng)用較晚一些。對(duì)接收鏈路而言，射頻采樣方案需要的鏈路增益較傳統(tǒng)的方案要求降低，因此鏈路的器件數(shù)量減少，架構(gòu)簡(jiǎn)單；鏈路中少了混頻器從而沒(méi)有鏡頻干擾、半中頻干擾等雜散，可以節(jié)省鏈路濾波器的設(shè)計(jì)；特別對(duì)于GSM的800KHz的阻塞指標(biāo)對(duì)時(shí)鐘的相噪高要求較高，目前可以滿足此性能的器件很少。

射頻采樣技術(shù)在DPD接收鏈路的應(yīng)用可以借鑒接收鏈路的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，差異在于DPD鏈路對(duì)對(duì)信號(hào)帶寬的要求和發(fā)射鏈路一樣，因此時(shí)鐘選擇、帶寬計(jì)算等借鑒發(fā)射鏈路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

三、射頻采樣芯片在發(fā)射鏈路中的應(yīng)用

本文介紹芯片MAX5870在基站發(fā)射鏈路的應(yīng)用，MAX5870是一顆單通道射頻采樣器件，數(shù)字接口采用LVDS接口，需要外部提供采樣時(shí)鐘（后續(xù)的的產(chǎn)品均考慮將時(shí)鐘模塊集成在芯片中，提供參考時(shí)鐘即可），最大采樣時(shí)鐘6GHz，可以支持主要移動(dòng)通訊頻段，最大支持帶寬600MHz，芯片的關(guān)鍵性能介紹如下所示：

1.滿量程輸出：-3～0dBm

2.DAC Resolution：14bit

3.信號(hào)帶寬：600MHz

4.采樣時(shí)鐘：6GHz

5.IMD3：75dBc

6.輸出底噪：-158dBm/Hz

MAX5870在發(fā)射鏈路應(yīng)用框圖參考圖1所示，時(shí)鐘選擇5GHz，接口速率選擇614.4MHz，基帶輸出的2.1GHz的LTE信號(hào)和1.8GHz的GSM混模信號(hào)經(jīng)過(guò)MAX5870處理后經(jīng)過(guò)DVGA進(jìn)行增益放大后再經(jīng)PA放大后從天線口發(fā)出，基帶信號(hào)和MAX5870的接口采用LVDS接口（下一代產(chǎn)品將改為JESD204B接口），射頻單板在MAX5870后測(cè)試關(guān)鍵的鏈路性能如下所示：

1.輸出功率：-19dBm@1GHz

2.帶內(nèi)雜散：-102dBm/100KHz

3.輸出底噪：-157dBm/Hz

按照上述指標(biāo)，系統(tǒng)級(jí)聯(lián)后在48dBm額定輸出功率下，雜散輻射滿足指標(biāo)要求，DPD訓(xùn)練下的混模輸出滿足系統(tǒng)參數(shù)要求。

下面針對(duì)上述發(fā)射射頻采樣芯片在發(fā)射鏈路的應(yīng)用進(jìn)行分析總結(jié)。

1、優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用數(shù)字變頻完成I/Q信號(hào)的調(diào)制處理，采樣鏡頻信號(hào)距離主信號(hào)較遠(yuǎn)，降低了濾波器對(duì)帶外干擾抑制的難度；

（2）因?yàn)楣?jié)省了模擬調(diào)制器，所以不需要進(jìn)行DAC和調(diào)制器之間的匹配電路的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了模擬鏈路；也不需要本振模擬信號(hào)參與變頻從而無(wú)需處理本振泄露以及本振和中頻的多次混頻雜散，射頻通訊頻段對(duì)應(yīng)的帶內(nèi)頻譜干凈；

（3）射頻信號(hào)支持較寬的信號(hào)帶寬，因此輸出的信號(hào)可以支持同頻的混摸輸出，也支持異頻的混模輸出，隨著射頻采樣芯片支持的射頻采樣頻率的不斷提升，能夠支持的異頻頻段的帶寬隨之不斷提升。

2、缺點(diǎn)：

（1）時(shí)鐘設(shè)計(jì)集成在射頻采樣芯片中，因此時(shí)鐘的多次諧波以及其和射頻信號(hào)的混頻產(chǎn)物泄露需要進(jìn)行頻率規(guī)劃；對(duì)于頻段較高的通訊頻段，當(dāng)采樣時(shí)鐘不夠高時(shí)鏡頻信號(hào)做為帶外信號(hào)泄露較大，濾波器的抑制要求需要根據(jù)其是否會(huì)落入其他通訊頻段影響共站應(yīng)用進(jìn)行選擇性處理；

（2）目前的可應(yīng)用芯片的輸出功率偏低，對(duì)于單載波應(yīng)用底噪指標(biāo)滿足要求，對(duì)于多載波多模式的大帶寬應(yīng)用，底噪指標(biāo)臨界甚至超標(biāo)。

（3）目前芯片的應(yīng)用還處于研發(fā)驗(yàn)證階段，隨著器件的應(yīng)用推廣其功能逐步完善，性能逐步提升，成本也將隨著芯片的應(yīng)用數(shù)量增加得到優(yōu)化。

目前各芯片廠家都著力于研究和推出適用于基站系統(tǒng)的射頻采樣器件，且芯片在功能上進(jìn)一步集成熱傳感器、增益控制、時(shí)鐘外供等輔助功能，為設(shè)計(jì)者帶來(lái)了方便。

四、結(jié)論

本文介紹了射頻采樣技術(shù)在基站RRU射頻系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要適用于多模、多制式、多頻段、大帶寬的應(yīng)用場(chǎng)景。目前基站RRU產(chǎn)品中射頻采樣技術(shù)已經(jīng)在發(fā)射鏈路應(yīng)用，且射頻芯片的功能隨著應(yīng)用的推廣在進(jìn)一步完善和豐富；適用于接收通路和DPD處理硬件鏈路的射頻采樣芯片也已經(jīng)設(shè)計(jì)使用，芯片的功能和性能也會(huì)隨著應(yīng)用的深入而優(yōu)化。隨著這三個(gè)模塊的射頻技術(shù)的成熟應(yīng)用，工藝水平和集成技術(shù)的發(fā)展，高集成的射頻采樣收發(fā)單芯片將成為可能，那么射頻鏈路的小型化和大帶寬應(yīng)用將同時(shí)解決。