【導讀】商業(yè)建筑和體育場(chǎng)館需要實(shí)現高質(zhì)量的蜂窩覆蓋，但相關(guān)環(huán)境對信號接收造成了挑戰。本文詳細介紹了分布式天線(xiàn)系統(DAS)的綜合解決方案，為在建筑結構內部擴展蜂窩覆蓋范圍和容量帶來(lái)了更優(yōu)質(zhì)的設計思路。本文概述了高集成度系統設計的多項優(yōu)勢，該設計中包含了射頻收發(fā)器以及與之耦合的雙向放大器(BDA)或遠程訪(fǎng)問(wèn)單元(RAU)設備。讀者可以通過(guò)仔細查看草擬的方框圖，更深入地了解解決方案中的多種元素將如何協(xié)同工作。
簡(jiǎn)介
商業(yè)建筑和體育場(chǎng)館等現代環(huán)境常需要改進(jìn)蜂窩網(wǎng)絡(luò )覆蓋性能，以提供無(wú)縫連接體驗。然而，如今的大型商業(yè)建筑、醫院和體育場(chǎng)館常常會(huì )采用厚鋼材、混凝土和節能玻璃墻，這些材料容易阻礙蜂窩信號傳輸，導致人員在其中無(wú)法獲得良好的手機信號。換句話(huà)說(shuō)，加固結構、有色窗戶(hù)以及其他建筑材料會(huì )讓建筑物屏蔽射頻信號1。此外，高層建筑可能會(huì )受到附近蜂窩塔的高水平射頻干擾，這會(huì )進(jìn)一步降低信號質(zhì)量。當狹小空間中的人員過(guò)多時(shí)，常會(huì )導致系統超容量，這也是手機接收信號不良的一個(gè)原因。這些因素共同導致了不理想的蜂窩電話(huà)接收效果。而集成式DAS解決方案可以在提供優(yōu)質(zhì)蜂窩服務(wù)和加速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的未來(lái)發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
什么是DAS？
DAS是一種室內無(wú)線(xiàn)增強系統，可為建筑內的人員提供可靠的手機覆蓋。DAS是由在空間中彼此獨立的天線(xiàn)節點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò )，可擴展蜂窩范圍并增強信號強度，在高密度室內或室外場(chǎng)所實(shí)現出色的蜂窩連接體驗。盡管DAS的具體部署方式各不相同，但典型部署可能涉及以下組件的直接連接：施主天線(xiàn)、射頻信號BDA或增強器、無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商的基站收發(fā)臺(BTS)、光纖分配前端、RAU以及建筑物內經(jīng)戰略性部署的多個(gè)天花板天線(xiàn)。某些情況下，還需要為每家運營(yíng)商都安裝一個(gè)BTS。
通常，多個(gè)射頻饋送信號會(huì )被合并，然后傳遞到前端，即主分配單元。施主天線(xiàn)位于建筑物頂部，負責發(fā)送信號和接收來(lái)自蜂窩運營(yíng)商的信號，并通過(guò)處于適宜位置的射頻信號BDA將無(wú)線(xiàn)信號引入建筑物中。前端設備隨后通過(guò)各種光纖電纜向RAU饋送信號。RAU又通過(guò)同軸電纜向天線(xiàn)系統饋送信號。單個(gè)RAU可以向多個(gè)天花板天線(xiàn)饋送信號。與蜂窩基站為蜂窩網(wǎng)絡(luò )提供覆蓋類(lèi)似，這可以為建筑物內的移動(dòng)設備提供語(yǔ)音和數據服務(wù)。圖1顯示了一個(gè)典型的全DAS架構。
圖1.混合DAS架構
室內無(wú)線(xiàn)覆蓋有兩個(gè)主要的改善趨勢：一是僅使用射頻增強器或BDA產(chǎn)品，這些是簡(jiǎn)單的信號中繼器（也稱(chēng)為無(wú)源DAS）；二是使用完整的有源DAS系統，如圖1所示。無(wú)源和有源DAS信號分配系統均可用于改善商業(yè)建筑內的無(wú)線(xiàn)覆蓋和容量，可根據實(shí)際情況選用?；旌螪AS是指同時(shí)包含無(wú)源和有源方案的分布式系統。
雙向放大器
射頻信號從施主天線(xiàn)傳播得越遠，信號強度就會(huì )越來(lái)越弱，原因是長(cháng)同軸電纜會(huì )帶來(lái)衰減。無(wú)源DAS可以避免或減輕這種情況，該方案使用了大量的多頻段射頻中繼器來(lái)增強或放大并重新驅動(dòng)信號。BDA前端包括一個(gè)具有濾波性能的低噪聲放大器(LNA)，有時(shí)還包括自動(dòng)增益控制(AGC)電路。AGC器件專(zhuān)門(mén)設計用于限制射頻功率水平，以及保護BDA免受損壞或失真。BDA可同時(shí)放大兩個(gè)方向上的射頻信號。BDA不會(huì )調制、修改或以其他方式扭曲實(shí)際射頻信號。其主要作用在于增強整個(gè)建筑物中的射頻信號。大多數BDA模塊設計用于同時(shí)放大多個(gè)載波，其使用不需要與運營(yíng)商達成協(xié)議。圖2所示為高級方框圖，其中包含推薦使用的BDA器件，可用于放大和重播射頻信號。
圖2.BDA/射頻增強器框圖
DAS遠程訪(fǎng)問(wèn)單元
DAS前端設備負責執行模數轉換，可轉換來(lái)自一家或多家運營(yíng)商的射頻信號。這就是為什么每家供應商通常需要運營(yíng)商批準才能安裝有源DAS。將射頻信號數字化并將其置于高帶寬光纖電纜上，可使信號以高帶寬、全強度和非常低的損耗，并跨越更遠的距離傳輸至整個(gè)商業(yè)建筑中經(jīng)戰略性部署的所有RAU中1。此過(guò)程將進(jìn)一步增強信號的抗干擾性。
RAU將數字光纖信號轉換回模擬射頻信號，并將其饋送到DAS天花板天線(xiàn)。RAU通過(guò)同軸電纜連接到遠端吸頂天線(xiàn)，以實(shí)現更大的覆蓋范圍和更長(cháng)的通信距離，讓所有用戶(hù)都能享受到出色的蜂窩連接體驗。圖1顯示了前端和所有RAU之間的光纖布線(xiàn)。
RAU是DAS中主要的關(guān)鍵功能，有助于擴展射頻容量。RAU的主要作用是實(shí)現數字到射頻和射頻到數字的轉換。ADI公司提供了集成度高且靈活性強的射頻收發(fā)器解決方案（如ADRV902x系列），為幫助RAU勝任復雜任務(wù)帶來(lái)了基礎集成電路器件。
圖3顯示了典型DAS RAU的高級框圖。表1列出了一些建議的器件功能和產(chǎn)品型號。圖中為該平臺提供了多個(gè)具體的器件建議，但下文將僅重點(diǎn)關(guān)注射頻收發(fā)器、ADRV9029和一些附加電源器件。
圖3.使用ADRV9029射頻收發(fā)器的典型RAU的框圖
表1.RAU設計的建議器件
高度集成的零中頻采樣模擬收發(fā)器：ADRV9029
ADRV9029 是一款高集成度的零中頻采樣模擬收發(fā)器，能夠合成和數字化寬帶信號。通過(guò)編程，該器件可用于頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)應用。該器件能夠提供DAS蜂窩基礎設施應用所需的性能，尤其是RAU。作為其數字前端模塊的一部分，該器件具有數字預失真(DPD)自適應引擎和削峰(CFR)引擎，這兩個(gè)關(guān)鍵功能使其在競爭對手中脫穎而出。如果DAS系統的低延遲要求非常嚴格，則可以旁路CFR。圖4為ADRV9029的功能框圖。
圖4.ADRV9029功能框圖
數字預失真功能
DPD功能或特性支持無(wú)線(xiàn)系統將其功率放大器(PA)驅動(dòng)至更接近飽和的狀態(tài)（但不會(huì )使功率放大器飽和），從而在保持線(xiàn)性度的同時(shí)，實(shí)現更高效率的功率放大器。也就是說(shuō)DPD功能通過(guò)擴展PA的線(xiàn)性工作區，使RAU實(shí)現更高的功放效率，而且仍然滿(mǎn)足發(fā)射信號鏈的鄰道泄漏比(ACLR)要求。遠程DAS節點(diǎn)中的PA還有助于降低其整體功耗。ADRV9029的觀(guān)察接收路徑連接到DPD執行器和系數計算引擎，以幫助系統的PA高效運行。
ADRV9029的DPD算法支持高達200 MHz的載波帶寬。與使用射頻收發(fā)器和基于FPGA的DPD分立式解決方案相比，將DPD功能集成到ADRV9029中可顯著(zhù)節省系統級成本、空間和功耗。如特定應用有需要，可以通過(guò)GPIO控制完全旁路ADRV9029中的DPD引擎。
將DPD應用于20 MHz LTE信號基帶數據后，ACLR（即所分配信道上的發(fā)射功率與相鄰無(wú)線(xiàn)電信道中泄漏的功率之比）的性能改進(jìn)如圖5所示。這些功率譜密度圖說(shuō)明了在應用DPD后，由LTE 20 MHz信號的交調產(chǎn)物引起的帶外非線(xiàn)性如何降低15 dB至20 dB。
圖5.功率譜密度，顯示了對20 MHz LTE信號應用DPD后ACLR的改善
削峰模塊
由于當前無(wú)線(xiàn)系統相關(guān)技術(shù)的固有特性，信號可能會(huì )具有很高的峰均功率比(PAPR)，這一現象在正交頻分復用(OFDM)等多載波波形中尤為明顯，并會(huì )導致降低PA的效率。主要原因是信號的峰值超出了PA的線(xiàn)性工作范圍。削峰(CFR)方案可確保信號所需的范圍在功率放大器的線(xiàn)性范圍內，并有助于減輕甚至消除系統中PAPR的影響。
ADRV9029帶有板載CFR引擎，該引擎可幫助降低PAPR。通過(guò)降低PAPR，RAU的PA可以在更高輸出功率下運行，從而提高其在發(fā)射線(xiàn)路中的功率放大器效率。該器件配備了三個(gè)CFR引擎。簡(jiǎn)而言之，這個(gè)精密受控的單片平臺提供了一個(gè)由CFR模塊預輔助的DPD引擎。正是這種芯片上信號處理的組合，使得ADRV9029在在保持PA線(xiàn)性度方面占據了競爭優(yōu)勢。
ADRV9029利用了一種基于脈沖消除技術(shù)的變體來(lái)實(shí)現CFR。該方法通過(guò)從檢測到的峰值中減去預先計算的脈沖，使信號保持在功率放大器的線(xiàn)性范圍內。因此，這需要為每個(gè)載波組合生成并加載脈沖。由于上述和其他因素讓CFR模塊產(chǎn)生了額外的延遲。在大多數情況下，DAS系統具有嚴格的延遲要求。在此類(lèi)情況中，可以簡(jiǎn)單地旁路CFR功能。 ADRV9026 是不帶DPD和CFR的產(chǎn)品系列的成員。
電源
努力實(shí)現盡可能高的誤差矢量幅度(EVM)和鄰道泄漏比(ACLR)等靜態(tài)發(fā)射器性能指標后，如果忽視RAU的系統電源設計，可能會(huì )導致與射頻設計和仿真工作相關(guān)的所有優(yōu)異成果均付諸東流。在工作期間，ADRV9029的電源電流可能會(huì )有很大變化，尤其是在TDD模式下工作時(shí)。如果不對電源噪聲加以控制，則甚至會(huì )讓JESD204B/JESD204C鏈路性能受到影響。
ADI公司開(kāi)發(fā)了有關(guān)開(kāi)關(guān)模式電源和封裝的創(chuàng )新技術(shù)，以支持其所有射頻收發(fā)器和其他5G RF SoC器件，例如ADRV9029。Silent Switcher? 3系列IC具有超低頻輸出噪聲、快速瞬態(tài)響應、低EMI輻射和高效率等特性。我們推薦在RAU中使用 LT8642S、LT8625S 和 LT8627SP，如圖3中的框圖所示。如需了解完整的Silent Switcher器件產(chǎn)品系列，請訪(fǎng)問(wèn) analog.com/silentswitcher。
在大多數情況下，ADI第三代Silent Switcher器件無(wú)需LDO，即使在鎖相環(huán)和LNA設計等對電源噪聲非常敏感的應用中也是如此。當需要LDO時(shí)，推薦使用 ADM7172 和 LT1761。為了避免不必要的上電電流，ADRV9029需要遵循特定的上電序列。此時(shí)建議采用 ADM1166 作為解決方案。
結論
DAS有助于實(shí)現高效的射頻覆蓋范圍和容量，改進(jìn)無(wú)縫連接性能，從而滿(mǎn)足當今對可靠語(yǔ)音和數據的高需求。本文討論了BDA（也稱(chēng)為無(wú)源DAS）或全有源DAS解決方案如何改善建筑結構內的蜂窩信號，以確保整個(gè)設施內的所有人員均享有穩健可靠的無(wú)線(xiàn)連接體驗。RAU是全有源DAS通信解決方案不可或缺的組成部分，就像ADRV9029對于DAS節點(diǎn)一樣。ADI公司提供參考設計、用戶(hù)指南、固件庫和其他設計資料，為工程師的設計工作提供多方位支持。如需有關(guān)ADRV9026射頻收發(fā)器的詳細信息和設計資料，或需購買(mǎi)完整的無(wú)線(xiàn)電評估板，請點(diǎn)擊 此處 前往訪(fǎng)問(wèn)。
參考電路
1“設計分布式天線(xiàn)系統(DAS)”。Advantage Business Media，2016年。
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