【導讀】全球蜂窩網(wǎng)絡上對數(shù)據(jù)的需求不斷增長，迫使運營商想方設法在2030年前將容量提升5000倍。要實現(xiàn)這一目標，需要將通道性能提升5倍、分配頻譜提高20倍、蜂窩基站數(shù)量增加50倍。許多此類新型蜂窩將布置在室內(nèi)，因為這里是大部分流量的來源，而光纖則是將流量回傳到網(wǎng)絡的首選。但是，還有許多室外場所無法連接光纖或光纖連接成本過高，對于這種情況而言，無線回程是最可行的替代方案。
現(xiàn)可使用免執(zhí)照的頻譜5 GHz，而且無需提供視線(LOS)路徑。但是其帶寬有限，而且由于大流量和寬帶天線，無疑會受到該頻譜其他用戶的干擾。
對于滿足容量需求所需的數(shù)以千計的室外蜂窩，60 GHz通信鏈路正在成為提供此類回程鏈路的有力競爭者。該頻譜也屬于免執(zhí)照頻段，但與6 GHz以下的頻率不同，它包含高達9 GHz的可用帶寬。此外，高頻允許窄而集中的天線場型，可在一定程度上提高抗干擾性，但它需要LOS路徑。
基于FPGA和基于SoC的調(diào)制解調(diào)器越來越多地用于各種無線回程解決方案，這是因為使用這種調(diào)制解調(diào)器的平臺模塊化且可定制，從而能夠降低OEM的總成本。對于這些鏈接的無線電部分，收發(fā)器已集成在基于硅的IC中，并且封裝為低成本的表貼器件。
可使用商用器件構(gòu)建完整的60 GHz雙向數(shù)據(jù)通信鏈路，如圖1中的解決方案所示。該設計由Xilinx和Hittite微波公司(現(xiàn)為ADI公司的下屬公司)研發(fā)，包括Xilinx調(diào)制解調(diào)器和ADI毫米波無線電。該鏈路滿足小型蜂窩回程市場的性能和靈活性要求。
圖1. 完整雙向數(shù)據(jù)通信鏈路的高級框圖
如圖1所示，創(chuàng)建鏈路需要兩個節(jié)點。每個節(jié)點都包含一個發(fā)送器(帶調(diào)制器)及其關(guān)聯(lián)的模擬發(fā)送器鏈、一個接收器(帶解調(diào)器)及其關(guān)聯(lián)的模擬接收器鏈。
調(diào)制解調(diào)卡與模擬和分立式器件集成。它包含以數(shù)字方式實施的振蕩器，能夠確保頻率合成的精度，并且所有數(shù)字功能均在FPGA或片上系統(tǒng)(SoC)上執(zhí)行。這種單載波調(diào)制解調(diào)器內(nèi)核可支持從QPSK到256 QAM的調(diào)制，通道帶寬高達500 MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)高達3.5 Gbps的數(shù)據(jù)速率。該調(diào)制解調(diào)器還可同時支持頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)傳輸方式。穩(wěn)健可靠的調(diào)制解調(diào)器設計方法能降低本振的相位噪聲影響。為改善性能和鏈路預算，內(nèi)置 強大的低密度奇偶校驗(LDPC)編碼。
毫米波調(diào)制解調(diào)器
毫米波調(diào)制解調(diào)器可幫助基礎(chǔ)設施供應商為其無線回程網(wǎng)絡開發(fā)靈活且成本優(yōu)化的可定制鏈路。它具有完全自適應、低功耗、小尺寸特性，可用于部署室內(nèi)和全室外點對點鏈路以及點對多點微波鏈路。借助該解決方案，運營商能夠構(gòu)建可擴展、現(xiàn)場可升級的系統(tǒng)。
圖2詳細說明在基于SoC的解決方案中實施的數(shù)字調(diào)制解調(diào)器。平臺的可擴展處理系統(tǒng)(PS)位于可編程邏輯(PL)旁，包含雙ARM®Cortex®-A9內(nèi)核，后者帶有集成式存儲器控制器和供外設使用的多標準I/O。
圖2. 用于無線調(diào)制解調(diào)器應用的所有可編程SoC
該SoC平臺用于執(zhí)行各項數(shù)據(jù)和控制功能并實現(xiàn)硬件加速。圖2所示的是集成式毫米波調(diào)制解調(diào)器以及配套的PHY、控制器、系統(tǒng)接口和包處理器。但是，用戶可以根據(jù)所需的架構(gòu)插入、更新或移除不同的模塊。例如，用戶可以選擇實施XPIC組合器，這樣可以將該調(diào)制解調(diào)器與另一個調(diào)制解調(diào)器以交叉極化模式配合使用。解決方案在PL中實施，使用SERDES和I/O作為各個數(shù)據(jù)路徑的接口，比如調(diào)制解調(diào)器與包處理器之間的接口、包處理器和存儲器之間的接口、調(diào)制解調(diào)器彼此之間的接口或DAC/ADC的接口。
該調(diào)制解調(diào)器IP的一些其他重要特性包括：通過自適應編碼和調(diào)制(ACM)功能保持鏈路連續(xù)工作的自動無損和無誤狀態(tài)切換、可改善RF功率放大器效率和線性的自適應數(shù)字閉環(huán)預校正(DPD)、能夠保持時鐘同步的同步以太網(wǎng)(SyncE)以及里德-所羅門或LDPC前向糾錯(FEC)。FEC根據(jù)電路要求選擇。LDPC FEC是無線回程應用的默認選擇，而對于去程等低延時應用而言，ReedSolomon FEC則更加適合。
LDPC實施方案經(jīng)高度優(yōu)化，并利用FPGA并行性幫助編碼器和解碼器完成計算。這可顯著改善SNR。您可通過改變LDPC內(nèi)核的迭代數(shù)量來應用不同級別的并行性，進而優(yōu)化解碼器的尺寸和功耗。此外，您還可根據(jù)通道帶寬和吞吐量約束條件為設計建模。
該調(diào)制解調(diào)器解決方案還配備用于顯示和調(diào)試的圖形用戶界面(GUI)，并可提供通道帶寬選擇、調(diào)制方式選擇等高級功能以及硬件寄存器設置等低級功能。為讓圖1所示的解決方案實現(xiàn)3.5 Gbps的吞吐量，該調(diào)制解調(diào)器IP需要以440 MHz的時鐘速率運行。它將五個千兆位收發(fā)器(GT)用于連接接口，以支持ADC和DAC，并把另外一些GT用于10 GbE有效載荷或CPRI接口。
毫米波收發(fā)器芯片組
ADI針對小型蜂窩回程應用，優(yōu)化了其在該設計中使用的第二代硅鍺(SiGe) 60 GHz芯片組。發(fā)送器芯片是一款完整的模擬基帶轉(zhuǎn)毫米波上變頻器。采用以250 MHz步進覆蓋57 GHz到66 GHz的改進型低相位噪聲頻率合成器，可支持至少64 QAM的調(diào)制。輸出功率已經(jīng)提升到大約16 dBm線性功率，而集成式功率檢測器則可監(jiān)測輸出功率，使其不超過法定限值。
該發(fā)送器芯片可提供對IF和RF增益的模擬或數(shù)字控制。在使用更高階調(diào)制的情況下，有時需要模擬增益控制，因為對幅度調(diào)制而言，離散增益改變可能會出錯，導致出現(xiàn)誤碼。內(nèi)置SPI接口可為數(shù)字增益控制提供支持。
對于在窄通道中需要更高階調(diào)制的應用而言，可以向發(fā)送器中加入擁有更低相位噪聲的外部PLL/VCO，并使內(nèi)部頻率合成器旁路。
圖3顯示了最高支持1.8 GHz帶寬的發(fā)送器芯片的框圖。MSK調(diào)制器選項可實現(xiàn)速率高達1.8 Gbps的低成本數(shù)據(jù)傳送，而無需使用高成本、高功耗的DAC。
圖3. HMC6300 60 GHz發(fā)送器IC框圖
接收器芯片是該器件的輔助器件，同樣經(jīng)過優(yōu)化，能夠滿足小型蜂窩回程的嚴苛要求。該接收器的特點是能夠?qū)⑤斎隤1dB大幅提升到−20 dBm，并將IIP3提升到−9 dBm，從而處理短程鏈路，短程鏈路中碟形天線具有高增益，會在接收器輸入端產(chǎn)生高信號電平。
其他主要特性包括：噪聲系數(shù)在最大增益設置下低至6 dB；可調(diào)低通和高通基帶濾波器；合成器與發(fā)送器芯片中的新型合成器相同，能夠在57 GHz到66 GHz頻段支持64 QAM調(diào)制；對IF和RF增益的模擬或數(shù)字控制。
圖4顯示了接收器芯片的框圖。請注意，該接收器還包含一個AM檢測器，用以解調(diào)開關(guān)鍵控(OOK)等幅度調(diào)制。此外，還可使用FM鑒頻器解調(diào)簡單的FM或MSK調(diào)制。這就是用于為QPSK恢復正交基帶輸出和解調(diào)更復雜的QAM調(diào)制的IQ解調(diào)器之外的附加功能。
圖4. HMC6301 60 GHz接收器IC框圖
發(fā)送器和接收器均采用4 mm × 6 mm BGA型晶圓級封裝。借助這些表貼器件，可實現(xiàn)回程應用無線電板的低成本制造。
圖5所示的是示例毫米波調(diào)制解調(diào)器和無線電系統(tǒng)的框圖。除FPGA、調(diào)制解調(diào)器軟件和毫米波芯片組外，該設計還包含一些其他組件。其中包括雙通道12位1 GSPS ADC；最高2.8 GSPS的四通道16位TxDAC；以及超低抖動時鐘合成器(支持ADC和DAC IC上使用的JESD204B串行數(shù)據(jù)接口)。
圖5. 使用Xilinx和ADI IC的示例參考設計演示平臺
圖6所示的平臺由Xilinx和ADI公司共同創(chuàng)建，用于演示目的。該實施方案包括Xilinx開發(fā)板上的FPGA調(diào)制解調(diào)器、工業(yè)標準FMC板(包含ADC、DAC和時鐘芯片)，以及兩塊無線電模塊評估板。
圖6. 工作中的演示平臺
該演示平臺包括用于調(diào)制解調(diào)器控制和視覺顯示功能的筆記本電腦，以及用于復制典型毫米波鏈路路徑損耗的可變RF衰減器。開發(fā)板上的FPGA可執(zhí)行WBM256調(diào)制解調(diào)器固件IP。開發(fā)板上的工業(yè)標準FMC夾層接插件可用于連接基帶板和毫米波無線電板。
毫米波模塊可卡合在基帶板上。模塊具備用于60 GHz接口的MMPX連接器以及用于可選用外部本振的SMA連接器。
該平臺包含在頻分雙工連接的每個方向?qū)?50 MHz通道中演示高達1.1 Gbps點對點回程連接所需的全部硬件和軟件。
模塊化和可定制
由于FPGA高度模塊化且可定制，因而能夠降低為無線回程應用構(gòu)建平臺的成本。為小型蜂窩回程市場的毫米波調(diào)制解調(diào)器解決方案選擇商用器件時，請選擇高能效的FPGA/SoC和高性能的寬帶IP內(nèi)核。高速也是為寬帶通信和開關(guān)功能選擇GT時應考慮的一個因素。此解決方案擴展能力出色，支持多種產(chǎn)品種類，包括以每秒數(shù)百兆位運行的低端小型蜂窩回程產(chǎn)品，以及同一硬件平臺上的3.5 Gpbs回程產(chǎn)品。
至于無線電部分，收發(fā)器IC封裝在表貼器件中，降低了制造成本。市場上的器件可滿足小型蜂窩部署無線回程需求的功耗、尺寸、靈活性和功能要求。您還可采購專為完善無線回程鏈路配備的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和時鐘管理IC。
本文轉(zhuǎn)自亞德諾半導體。
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