用于實現(xiàn)O-RAN無線解決方案的5G技術(shù)設備

主要無線電元件

在過去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等先進功能。該系列產(chǎn)品不僅滿足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，雖然我們在不斷進行新一代的開發(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(nèi)的其他配置的設備。

圖2. ADRV9029收發(fā)器

每款RadioVerse設備都包含構(gòu)建完整無線電所需的一切（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，為了完成無線電設計，必須將合適的LNA和PA與RadioVerse IC配對。以下章節(jié)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解。

接收器信號鏈示例

ADRV9029與 ADRF5545A 組合使用時（如圖3所示），可以輕松構(gòu)建2芯片接收器。 ADRF5515 引腳兼容，也可以使用。它與幾個無源元件組合，就可以構(gòu)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(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于可能達到高水平集成，如此不但可以實現(xiàn)極低的實施成本，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(gòu)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線電功能的集成，包括通道濾波器（模擬和數(shù)字）和基帶放大器。這些元件通常是系統(tǒng)中最大、功率最高的設備，相比包括直接RF采樣在內(nèi)的其他架構(gòu)，此架構(gòu)可以顯著節(jié)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ADRV9029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，所以無需使用其他放大器或VGA。使用這個信號鏈之后，從天線到數(shù)據(jù)比特位，可以支持整個系統(tǒng)低至2 dB的噪聲系數(shù)。雖然此設計中包含一個集成式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利用集成來滿足天線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說具有吸引力的設計，例如大規(guī)模MIMO和其他TDD部署。通常，使用分立式前端來實現(xiàn)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(jù)兩款有源設備的數(shù)據(jù)手冊規(guī)格，則整個接收器信號鏈的標稱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。這足以滿足章節(jié)7.2.2中38.104的廣域傳導要求，且留有余量，對局域/小型蜂窩來說也綽綽有余，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SAW濾波器。

表1. 38.104接收器分類

此外，38.104章節(jié)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6 dB。根據(jù)圖5所示的NF與輸入電平，在–52 dBm時產(chǎn)生的額外噪聲并不比在更低電平下產(chǎn)生的噪聲多。事實上，本底噪聲在Blocker信號達到–40 dBm后才會上升，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(nèi)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6 dB。從圖5顯示的ADI公司的信號鏈的性能來看，衰減僅為約0.9 dB。窄帶阻塞是一種功率稍低的CW類阻塞，但這也不是問題。

章節(jié)7.5.2中的帶外阻塞可能算是一種更為有趣的挑戰(zhàn)。其中，–15 dBm信號被傳輸至天線輸入。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范圍進行掃描，不包括20 MHz工作頻率以內(nèi)的頻段。這里，有幾個因素會推動信號鏈產(chǎn)生優(yōu)勢。第一，環(huán)形器具有有限帶寬，會拒絕許多帶外信號，但包含在內(nèi)的信號不會產(chǎn)生很大影響。第二，ADRF5545A之后的濾波器會提供一定程度的濾波，一般來說，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(nèi)置的帶外抑制，這是收發(fā)器結(jié)構(gòu)固有的特性。在ADI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行大幅衰減，這些信號不會在帶內(nèi)混疊，主要被片內(nèi)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(xù)向前，可能受到更高的抑制。在這個階段，圖5顯示出現(xiàn)的衰減可能非常小。

前端模塊的線性度可能是更大的問題。此時，可能得出很大的IM3產(chǎn)物。根據(jù)實際選擇的FEM，可能需要將頻帶選擇濾波器移動到第二個LNA之前，以保護其不受帶外信號影響，這通常會產(chǎn)生較大的IM產(chǎn)物。無法在這類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(diào)的影響，典型的FEM包含二級旁路開關(guān)，用于降低增益和保護二級不會被驅(qū)動產(chǎn)生非線性，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(diào)失真有助于保護整體動態(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(nèi)。剩余的濾波器要求由天線濾波器提供，抑制可以根據(jù)接收器FEM的低增益壓縮點和IP3決定。

變送器信號鏈示例

將ADRV9029和合適的RF驅(qū)動放大器，或RFVGA組合使用時（訪問 analog.com/rf 了解更多選項），可以輕松構(gòu)建合適的PA、緊湊的室內(nèi)微微蜂窩、室外微微蜂窩或室外微蜂窩5。這些5G技術(shù)設備與幾個無源元件組合，就可以構(gòu)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(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于可能達到的高水平集成，通過使用所選的ADI收發(fā)器具備的集成式DPD功能，不但可以實現(xiàn)極低的實施成本，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輸出端中包含一個耦合器，用于監(jiān)測輸出失真（也可以用于監(jiān)測天線的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(nèi)部進行，觀察接收器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(shù)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(guī)模MIMO來說是無效或低效的。但是，通過將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個相鄰的20 MHz LTE載波，總共100 MHz。一般來說，LTE要求最低達到45 dB ACLR，大多數(shù)部署都可以超過此值。ADI運行一個連續(xù)測試實驗室，始終會檢查所有功率等級的新PA。查看 功率放大器測試報告，或咨詢工廠，獲取ADI提供的可用的DPD技術(shù)的最新信息，以及最近通過測試的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