射頻采樣技術的應用

趙娜 秦浩 邵曉兵

【摘要】 本文基于通訊市場對通訊基站產(chǎn)品通訊質量和網(wǎng)絡覆蓋的要求，介紹了射頻采樣技術在基站系統(tǒng)的應用，通過基帶信號到射頻信號一次變頻技術提高產(chǎn)品的帶寬應用的同時支持了多制式、多頻段的應用，提高了基站發(fā)射載波數(shù)。隨著通訊業(yè)務量的不斷擴充，射頻采樣將成為后續(xù)基站產(chǎn)品的優(yōu)選方案。

【關鍵詞】 射頻采樣 帶寬

一、背景技術

隨著通訊技術的發(fā)展網(wǎng)絡通訊質量和網(wǎng)絡覆蓋率已經(jīng)成為各大運營商運營競爭的主要指標，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集成了發(fā)射鏈路、接收鏈路和DPD反饋鏈路，主要解決市場對于微站的小型化低功耗的要求，目前此產(chǎn)品已經(jīng)逐步改進優(yōu)化進一步推廣于宏基站場景。

另外一種是應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)逐步在市場應用推廣。在超寬帶、模擬數(shù)字化、小型化、5G系統(tǒng)等基站演進中，射頻采樣技術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)務的支持要求，不同制式的混模多載波應用成為設計的必要關注點，為了在不增加基站設備數(shù)量的條件下支持更多的用戶，考慮通過拓寬基站輸出的帶寬以增加每通道輸出的信號的載波數(shù)從而實現(xiàn)用戶支持率的擴充。本文所述射頻采樣技術支持了RRU產(chǎn)品射頻部分的寬帶實現(xiàn)，可以支持多制式、多頻段的寬帶應用。

二、射頻采樣技術簡介

射頻采樣技術在基站系統(tǒng)主要應用于發(fā)射鏈路和接收鏈路。

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

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

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

不同公司的射頻采樣產(chǎn)品，時鐘在芯片中的設計差異導致實際的干擾信號的成分和大小存在差異，因此選用芯片時需要針對性的進行設計選取。

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用，也支持不同通訊頻段下不同制式的混模應用，不同的頻段的信號的總帶寬最大為器件支持的信號帶寬；對于雙通道的芯片應用可以實現(xiàn)帶寬擴充功能，即射頻采樣芯片兩個通道的數(shù)字部分處理兩組不同的基帶信號，在芯片內(nèi)部進行合路之后再變頻輸出，這樣的實現(xiàn)方式完成了相同數(shù)據(jù)速率下，最終輸出的射頻信號帶寬是單通道輸出射頻信號帶寬的兩倍。

射頻采樣技術在接收鏈路的應用較發(fā)射鏈路的應用較晚一些。對接收鏈路而言，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，架構簡單；鏈路中少了混頻器從而沒有鏡頻干擾、半中頻干擾等雜散，可以節(jié)省鏈路濾波器的設計；特別對于GSM的800KHz的阻塞指標對時鐘的相噪高要求較高，目前可以滿足此性能的器件很少。

射頻采樣技術在DPD接收鏈路的應用可以借鑒接收鏈路的應用經(jīng)驗，差異在于DPD鏈路對對信號帶寬的要求和發(fā)射鏈路一樣，因此時鐘選擇、帶寬計算等借鑒發(fā)射鏈路的設計標準。

三、射頻采樣芯片在發(fā)射鏈路中的應用

本文介紹芯片MAX5870在基站發(fā)射鏈路的應用，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鐘（后續(xù)的的產(chǎn)品均考慮將時鐘模塊集成在芯片中，提供參考時鐘即可），最大采樣時鐘6GHz，可以支持主要移動通訊頻段，最大支持帶寬600MHz，芯片的關鍵性能介紹如下所示：

1.滿量程輸出：-3～0dBm

2.DAC Resolution：14bit

3.信號帶寬：600MHz

4.采樣時鐘：6GHz

5.IMD3：75dBc

6.輸出底噪：-158dBm/Hz

MAX5870在發(fā)射鏈路應用框圖參考圖1所示，時鐘選擇5GHz，接口速率選擇614.4MHz，基帶輸出的2.1GHz的LTE信號和1.8GHz的GSM混模信號經(jīng)過MAX5870處理后經(jīng)過DVGA進行增益放大后再經(jīng)PA放大后從天線口發(fā)出，基帶信號和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后測試關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，系統(tǒng)級聯(lián)后在48dBm額定輸出功率下，雜散輻射滿足指標要求，DPD訓練下的混模輸出滿足系統(tǒng)參數(shù)要求。

下面針對上述發(fā)射射頻采樣芯片在發(fā)射鏈路的應用進行分析總結。

1、優(yōu)點：

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

（2）因為節(jié)省了模擬調(diào)制器，所以不需要進行DAC和調(diào)制器之間的匹配電路的設計，簡化了模擬鏈路；也不需要本振模擬信號參與變頻從而無需處理本振泄露以及本振和中頻的多次混頻雜散，射頻通訊頻段對應的帶內(nèi)頻譜干凈；

（3）射頻信號支持較寬的信號帶寬，因此輸出的信號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：

（1）時鐘設計集成在射頻采樣芯片中，因此時鐘的多次諧波以及其和射頻信號的混頻產(chǎn)物泄露需要進行頻率規(guī)劃；對于頻段較高的通訊頻段，當采樣時鐘不夠高時鏡頻信號做為帶外信號泄露較大，濾波器的抑制要求需要根據(jù)其是否會落入其他通訊頻段影響共站應用進行選擇性處理；

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

（3）目前芯片的應用還處于研發(fā)驗證階段，隨著器件的應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，且芯片在功能上進一步集成熱傳感器、增益控制、時鐘外供等輔助功能，為設計者帶來了方便。

四、結論

本文介紹了射頻采樣技術在基站RRU射頻系統(tǒng)中的應用，主要適用于多模、多制式、多頻段、大帶寬的應用場景。目前基站RRU產(chǎn)品中射頻采樣技術已經(jīng)在發(fā)射鏈路應用，且射頻芯片的功能隨著應用的推廣在進一步完善和豐富；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)設計使用，芯片的功能和性能也會隨著應用的深入而優(yōu)化。隨著這三個模塊的射頻技術的成熟應用，工藝水平和集成技術的發(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用將同時解決。