如何利用先进DSP来高效实现数据比特与RF的来回转换？

为了支持不断增长的无线数据需求，现代基站无线电设计支持多个e-utra频段以及载波聚合技术。这些多频段无线电采用新一代gsps rf adc和dac，可实现频率捷变、直接rf信号合成和采样技术。为了应对rf无线频谱的稀疏特性，利用先进dsp来高效实现数据比特与rf的来回转换。本文描述了一个针对多频段应用的直接rf发射机例子，并考虑了dsp配置以及功耗与带宽的权衡。
简介 - 10年、10倍频段、100倍数据速率
智能电话革命开始于10年前，其标志事件是苹果公司于2007年发布初代iphone®。10年后，历经两代无线标准，很多事情都发生了变化。也许不像作为消费电子的智能电话（称为用户设备(ue)）那样吸引眼球并常常占据新闻头条，但无线电接入网络(ran)的基础设施基站(enodeb)也历经嬗变，才成就了我们如今互连世界的数据洪流。蜂窝频段增加了10倍，而数据转换器采样速率增加了100倍。这使我们处于什么样的状况？
多频段无线电和频谱的有效利用
从2g gsm到4g lte，蜂窝频段的数量从4个增加到40个以上，暴增了10倍。随着lte网络的出现，基站供应商发现无线电变化形式倍增。lte-a提高了多频段无线电的要求，在混频中增加了载波聚合，使得同一频段内（更重要的是不同频段内）的非连续频谱可以在基带调制解调器中聚合为单一流。
但是，rf频谱很稀疏。图1显示了几个载波聚合频段组合，突出说明了频谱稀疏问题。绿色是带间间隔，红色是目标频段。信息理论要求系统不应浪费功率去转换不需要的频谱。多频段无线电需要有效的手段来转换模拟和数字域之间的稀疏频谱。
图1.非连续频谱的载波聚合突出说明了频谱稀疏问题。红色表示许可频段。绿色表示是带间间隔。
基站发射机演变为直接rf
为帮助应对4g lte网络数据消费的增加，广域基站的无线电架构已经发生了变化。带混频器和单通道数据转换器的超外差窄带if采样无线电已被复中频(cif)和零中频(zif)等带宽加倍的i/q架构所取代。zif和cif收发器需要模拟i/q调制器/解调器，其采用双通道和四通道数据转换器。然而，此类带宽更宽的cif/zif收发器也会遭受lo泄漏和正交误差镜像的影响，必须予以校正。
图2.无线射频架构不断演变以适应日益增长的带宽需求，进而通过sdr技术变得更具频率捷变性。
幸运的是，过去10年中，数据转换器采样速率也增加了30倍到100倍，从2007年的100 msps提高到2017年的10 gsps以上。采样速率的提高带来了超宽带宽的gsps rf转换器，使得频率捷变软件定义无线电最终成为现实。
6 ghz以下bts架构的终极形态或许一直就是直接rf采样和合成。直接rf架构不再需要模拟频率转换器件，例如混频器、i/q调制器和i/q解调器，这些器件本身就是许多干扰杂散信号的来源。相反，数据转换器直接与rf频率接口，任何混频均可通过集成数字上/下变频器(duc/ddc)以数字方式完成。
多频段效率增益以精密dsp的形式出现，其包含在adi的rf转换器中，可以仅对需要的频段进行数字通道化，同时支持使用全部rf带宽。利用集内插/抽取上/下采样器、半带滤波器和数控振荡器(nco)于一体的并行duc或ddc，可以在模拟和数字域相互转换之前对目标频段进行数字化建构/解构。
并行数字上/下变频器架构允许用户对多个所需频段（图1中以红色显示）进行通道化，而不会浪费宝贵的周期时间去转换未使用的频段（图1中以绿色显示）。高效率多频段通道化具有降低数据转换器采样速率要求的效果，并能减少通过jesd204b数据总线传输所需的串行通道数量。降低系统采样速率可降低基带处理器的成本、功耗和散热管理要求，从而节省整个基站系统的资本支出(capex)和运营支出(opex)。在高度优化的cmos asic工艺中实现通道化dsp的功效比远高于通用fpga结构中的实现方案，哪怕fpga的尺寸较小也是如此。
带dpd接收机的直接rf发射机：示例
在新一代多频段bts无线电中，rf dac已成功取代了if dac。图3显示了一个带有16位12 gsps rf dac ad9172的直接rf发射机示例，其利用三个并行duc支持三频段通道化，允许在1200 mhz带宽上灵活地放置副载波。在rf dac之后，adl5335 tx vga提供12 db的增益和31.5 db的衰减范围，最高支持4 ghz。根据enodeb的输出功率要求，此drf发射机的输出可以驱动所选功率放大器。
图3.直接rf发射机。诸如ad9172之类的rf dac包括复杂的dsp模块，其利用并行数字上变频通道化器来实现高效多频带传输。
考虑图4所示的频段3和频段7情形。有两种不同方法可用来将数据流直接转换为rf。第一种方法（宽带方法）是不经通道化而合成频段，要求1228.8 mhz的数据速率。此带宽的80%产生983.04 mhz的dpd（数字预失真）合成带宽，足以传输两个频带及其740 mhz的频带间隔。这种方法对dpd系统有好处，不仅可以对每个单独载波的带内imd进行预失真，还能对所需频带之间的其他无用非线性发射进行预失真。
图4.双频段情形：频段3（1805 mhz至1880 mhz）和频段7（2620 mhz至2690 mhz）。
第二种方法是合成这些频段的通道化版本。由于每个频段分别只有60 mhz和70 mhz，并且运营商只有该带宽的一个子集的许可证，所以没有必要传输一切并因此招致高数据速率。相反，我们仅利用更合适、更低的153.6 mhz数据速率，其80%导致dpd带宽为122.88 mhz。如果运营商拥有每个频段中的20 mhz的许可证，则对于每个频段的带内imd，仍有足够的dpd带宽进行5阶校正。采用上述宽带方法，这种模式可以在dac中节省高达250 mw的功耗，并在基带处理器中节省更多的功耗/热量，另外还能减少串行通道数量，实现更小、更低成本的fpga/asic。
图5.利用ad9172 rf dac，通过直接rf发射机实现频段3和频段7 lte传输。
dpd的观测接收机也已演变为drf（直接射频）架构。ad920814位3 gsps rf adc还支持通过并行ddc进行多频段通道化。发射机dpd子系统中的rf dac和rf adc组合有许多优点，包括共享转换器时钟、相关相位噪声消除以及系统整体的简化。其中一个简化是，集成pll的ad9172 rf dac的能够从低频参考信号生成高达12 ghz的时钟，而无需在无线电电路板周围布设高频时钟。此外，rf dac可以输出其时钟的相位相干分频版本供反馈adc使用。此类系统特性支持创建优化的多频段发射机芯片组，从而真正增强bts dpd系统。
图6.用于数字预失真的直接rf观测接收机。宽带rf adc（例如ad9208）可以将5 ghz带宽上的多个频段高效数字化。
结语
智能电话革命十年后，蜂窝业务全都与数据吞吐量有关。单频段无线电再也不能满足消费者的容量需求。为了增加数据吞吐量，必须通过多频段载波聚合来获得更多的频谱带宽。rf数据转换器可以使用全部6 ghz以下蜂窝频谱，并能快速重新配置以适应不同频段组合，从而使软件定义无线电成为现实。此类频率敏捷直接rf架构可缩减成本、尺寸、重量和功耗。这一事实使得rf dac发射机和rf adc dpd接收机成为6 ghz以下多频段基站的首选架构。