【導讀】全球蜂窩網(wǎng)絡(luò )上對數據的需求不斷增長(cháng)，迫使運營(yíng)商想方設法在2030年前將容量提升5000倍。要實(shí)現這一目標，需要將通道性能提升5倍、分配頻譜提高20倍、蜂窩基站數量增加50倍。許多此類(lèi)新型蜂窩將布置在室內，因為這里是大部分流量的來(lái)源，而光纖則是將流量回傳到網(wǎng)絡(luò )的首選。但是，還有許多室外場(chǎng)所無(wú)法連接光纖或光纖連接成本過(guò)高，對于這種情況而言，無(wú)線(xiàn)回程是最可行的替代方案。
現可使用免執照的頻譜5 GHz，而且無(wú)需提供視線(xiàn)(LOS)路徑。但是其帶寬有限，而且由于大流量和寬帶天線(xiàn)，無(wú)疑會(huì )受到該頻譜其他用戶(hù)的干擾。
對于滿(mǎn)足容量需求所需的數以千計的室外蜂窩，60 GHz通信鏈路正在成為提供此類(lèi)回程鏈路的有力競爭者。該頻譜也屬于免執照頻段，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(xiàn)場(chǎng)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的調制解調器越來(lái)越多地用于各種無(wú)線(xiàn)回程解決方案，這是因為使用這種調制解調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(wú)線(xiàn)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。
可使用商用器件構建完整的60 GHz雙向數據通信鏈路，如圖1中的解決方案所示。該設計由Xilinx和Hittite微波公司(現為ADI公司的下屬公司)研發(fā)，包括Xilinx調制解調器和ADI毫米波無(wú)線(xiàn)電。該鏈路滿(mǎn)足小型蜂窩回程市場(chǎng)的性能和靈活性要求。
圖1. 完整雙向數據通信鏈路的高級框圖
如圖1所示，創(chuàng )建鏈路需要兩個(gè)節點(diǎn)。每個(gè)節點(diǎn)都包含一個(gè)發(fā)送器(帶調制器)及其關(guān)聯(lián)的模擬發(fā)送器鏈、一個(gè)接收器(帶解調器)及其關(guān)聯(lián)的模擬接收器鏈。
調制解調卡與模擬和分立式器件集成。它包含以數字方式實(shí)施的振蕩器，能夠確保頻率合成的精度，并且所有數字功能均在FPGA或片上系統(SoC)上執行。這種單載波調制解調器內核可支持從QPSK到256 QAM的調制，通道帶寬高達500 MHz，能夠實(shí)現高達3.5 Gbps的數據速率。該調制解調器還可同時(shí)支持頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)傳輸方式。穩健可靠的調制解調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，內置 強大的低密度奇偶校驗(LDPC)編碼。
毫米波調制解調器
毫米波調制解調器可幫助基礎設施供應商為其無(wú)線(xiàn)回程網(wǎng)絡(luò )開(kāi)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，可用于部署室內和全室外點(diǎn)對點(diǎn)鏈路以及點(diǎn)對多點(diǎn)微波鏈路。借助該解決方案，運營(yíng)商能夠構建可擴展、現場(chǎng)可升級的系統。
圖2詳細說(shuō)明在基于SoC的解決方案中實(shí)施的數字調制解調器。平臺的可擴展處理系統(PS)位于可編程邏輯(PL)旁，包含雙ARM®Cortex®-A9內核，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(wú)線(xiàn)調制解調器應用的所有可編程SoC
該SoC平臺用于執行各項數據和控制功能并實(shí)現硬件加速。圖2所示的是集成式毫米波調制解調器以及配套的PHY、控制器、系統接口和包處理器。但是，用戶(hù)可以根據所需的架構插入、更新或移除不同的模塊。例如，用戶(hù)可以選擇實(shí)施XPIC組合器，這樣可以將該調制解調器與另一個(gè)調制解調器以交叉極化模式配合使用。解決方案在PL中實(shí)施，使用SERDES和I/O作為各個(gè)數據路徑的接口，比如調制解調器與包處理器之間的接口、包處理器和存儲器之間的接口、調制解調器彼此之間的接口或DAC/ADC的接口。
該調制解調器IP的一些其他重要特性包括：通過(guò)自適應編碼和調制(ACM)功能保持鏈路連續工作的自動(dòng)無(wú)損和無(wú)誤狀態(tài)切換、可改善RF功率放大器效率和線(xiàn)性的自適應數字閉環(huán)預校正(DPD)、能夠保持時(shí)鐘同步的同步以太網(wǎng)(SyncE)以及里德-所羅門(mén)或LDPC前向糾錯(FEC)。FEC根據電路要求選擇。LDPC FEC是無(wú)線(xiàn)回程應用的默認選擇，而對于去程等低延時(shí)應用而言，ReedSolomon FEC則更加適合。
LDPC實(shí)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(zhù)改善SNR。您可通過(guò)改變LDPC內核的迭代數量來(lái)應用不同級別的并行性，進(jìn)而優(yōu)化解碼器的尺寸和功耗。此外，您還可根據通道帶寬和吞吐量約束條件為設計建模。
該調制解調器解決方案還配備用于顯示和調試的圖形用戶(hù)界面(GUI)，并可提供通道帶寬選擇、調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(shí)現3.5 Gbps的吞吐量，該調制解調器IP需要以440 MHz的時(shí)鐘速率運行。它將五個(gè)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毫米波上變頻器。采用以250 MHz步進(jìn)覆蓋57 GHz到66 GHz的改進(jìn)型低相位噪聲頻率合成器，可支持至少64 QAM的調制。輸出功率已經(jīng)提升到大約16 dBm線(xiàn)性功率，而集成式功率檢測器則可監測輸出功率，使其不超過(guò)法定限值。
該發(fā)送器芯片可提供對IF和RF增益的模擬或數字控制。在使用更高階調制的情況下，有時(shí)需要模擬增益控制，因為對幅度調制而言，離散增益改變可能會(huì )出錯，導致出現誤碼。內置SPI接口可為數字增益控制提供支持。
對于在窄通道中需要更高階調制的應用而言，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調制器選項可實(shí)現速率高達1.8 Gbps的低成本數據傳送，而無(wú)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(guò)優(yōu)化，能夠滿(mǎn)足小型蜂窩回程的嚴苛要求。該接收器的特點(diǎn)是能夠將輸入P1dB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(xiàn)具有高增益，會(huì )在接收器輸入端產(chǎn)生高信號電平。
其他主要特性包括：噪聲系數在最大增益設置下低至6 dB；可調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調制；對IF和RF增益的模擬或數字控制。
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(gè)AM檢測器，用以解調開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)等幅度調制。此外，還可使用FM鑒頻器解調簡(jiǎn)單的FM或MSK調制。這就是用于為QPSK恢復正交基帶輸出和解調更復雜的QAM調制的IQ解調器之外的附加功能。
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(shí)現回程應用無(wú)線(xiàn)電板的低成本制造。
圖5所示的是示例毫米波調制解調器和無(wú)線(xiàn)電系統的框圖。除FPGA、調制解調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(dòng)時(shí)鐘合成器(支持ADC和DAC IC上使用的JESD204B串行數據接口)。
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(shí)施方案包括Xilinx開(kāi)發(fā)板上的FPGA調制解調器、工業(yè)標準FMC板(包含ADC、DAC和時(shí)鐘芯片)，以及兩塊無(wú)線(xiàn)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制解調器控制和視覺(jué)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(kāi)發(fā)板上的FPGA可執行WBM256調制解調器固件IP。開(kāi)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(wú)線(xiàn)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(gè)方向對應的250 MHz通道中演示高達1.1 Gbps點(diǎn)對點(diǎn)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(wú)線(xiàn)回程應用構建平臺的成本。為小型蜂窩回程市場(chǎng)的毫米波調制解調器解決方案選擇商用器件時(shí)，請選擇高能效的FPGA/SoC和高性能的寬帶IP內核。高速也是為寬帶通信和開(kāi)關(guān)功能選擇GT時(shí)應考慮的一個(gè)因素。此解決方案擴展能力出色，支持多種產(chǎn)品種類(lèi)，包括以每秒數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(wú)線(xiàn)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(chǎng)上的器件可滿(mǎn)足小型蜂窩部署無(wú)線(xiàn)回程需求的功耗、尺寸、靈活性和功能要求。您還可采購專(zhuān)為完善無(wú)線(xiàn)回程鏈路配備的高性能數據轉換器和時(shí)鐘管理IC。
本文轉自亞德諾半導體。
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