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熱點(diǎn)探討!數字技術(shù)能否掌控4G基礎設施?

發(fā)布時(shí)間:2014-05-08 責任編輯:mikeliu

【導讀】4G技術(shù)帶領(lǐng)人們走向了更快速的生活,但是在這過(guò)程中,隨著(zhù)時(shí)代的演變,總是有一些東西要消失,也總有一些東西會(huì )應運而生。那么,4G時(shí)代,通信是由什么來(lái)掌握呢?我們現有的數字技術(shù),能否掌控4G的基礎設施?讓我們一起來(lái)討論吧!

目前許多家庭利用無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)接入點(diǎn)為家里的數臺計算機提供互聯(lián)網(wǎng)功能。然而,在不久的將來(lái),這些設備將被毫微微蜂窩所替代。這些更小的基站有望廣泛用于家庭和小型商業(yè)機構,提供對第4代(4G)通信服務(wù)的接入。然而,為了支持這些更高數據速率能力,網(wǎng)絡(luò )基礎設施作為一個(gè)整體必須進(jìn)一步減小放大器失真、提高功效并增加輸出功率。射頻和微波設計工程師已經(jīng)作好了準備贏(yíng)取這場(chǎng)戰爭的勝利,他們的法寶是充分利用最新的數字技術(shù),數字技術(shù)的范圍從先進(jìn)的數字調制方案、復接、基帶處理和前沿方法到信號處理和線(xiàn)性化等十分廣泛。

轉向數字調制方案以及由這些方案導致的產(chǎn)品演進(jìn)是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)非常自然的發(fā)展歷程。與模擬調制方案相比,數字技術(shù)可以在有限的帶寬上傳輸更多的信息。這種數字調制解決方案非常適合在仍然有限的射頻頻譜上向越來(lái)越多的用戶(hù)提供越來(lái)越多的服務(wù)。此外,與模擬技術(shù)相比,數字設計通常被公認為具有更多的優(yōu)勢,如更高的安全性,更強的抗干擾和抗衰落能力。

毫微微蜂窩是更為新的數字調制技術(shù)下的產(chǎn)物,這得歸功于像picoChip這樣的公司。該公司營(yíng)銷(xiāo)副總裁Rupert Baines表示,“我們正在研究的領(lǐng)域是HSPA毫微微蜂窩(通過(guò)把基站做得更小更便宜進(jìn)一步提高效率)和長(cháng)期演進(jìn)(LTE;采用64正交幅度調制(QAM)、正交頻分多址(OFDMA)和多入多出(MIMO)實(shí)現密集調制)。有趣的是,我們可以把基站做得越來(lái)越小、越來(lái)越便宜。這樣可以提高信噪比(SNR),從而真正實(shí)現更高的數據速率。”

今年2月份在西班牙舉行的全球移動(dòng)大會(huì )上,picoChip公司演示了兩款最新的picoXcell系統級芯片(SoC)器件PC313和PC323,這兩種單芯片HSPA+毫微微蜂窩SoC分別可以服務(wù)8個(gè)和24個(gè)用戶(hù),經(jīng)過(guò)擴展它們還可以適應更多的用戶(hù)。這兩種器件據稱(chēng)符合第三代合作伙伴項目(3GPP)版本8要求,比如可以達到42Mb/s的下行鏈路和11Mb/s的上行鏈路數據速率。這些器件還滿(mǎn)足版本8對包含MIMO技術(shù)的要求,因而能夠滿(mǎn)足企業(yè)和“更大毫微微”應用要求的更多實(shí)際用戶(hù)數量所需的高數據速率和接收密度要求。目前,PC323 SoC可以適合并發(fā)用戶(hù)數量多達24個(gè)的企業(yè)、校園、農村和城市使用場(chǎng)合,蜂窩半徑達2km。通過(guò)兩個(gè)器件的級聯(lián)還可以使系統支持的用戶(hù)數量增加到48個(gè)。

Percello公司的一款SoC據稱(chēng)也可以降低HSPA+毫微微蜂窩的成本和尺寸。這種型號為PRC6100的單芯片器件最大限度地提高了數字集成度,單個(gè)封裝內包含有一個(gè)高速MIPS24Kc處理器及其外設、毫微微蜂窩L1引擎(FLE)和嵌入式雙倍數據速率(DDR)內存。因此,它不需要在電路板上增加任何額外的存儲器或數字器件。PRC6100符合3GPP HNB規范要求,最多支持8個(gè)用戶(hù),可提供下行21.6Mb/s和上行5.76Mb/s的HSPA+數據速率。

第三代(3G)HSPA/HSPA+和4G長(cháng)期演進(jìn)(LTE)移動(dòng)數據業(yè)務(wù)的興起導致帶寬需求突飛猛進(jìn)。這種需求反過(guò)來(lái)又刺激微波回傳領(lǐng)域中先進(jìn)的調制和復用技術(shù)的開(kāi)發(fā)和實(shí)現。阿爾卡特-朗訊(Alcatel-Lucent)公司無(wú)線(xiàn)傳輸產(chǎn)品事業(yè)部產(chǎn)品策略經(jīng)理Paolo Volpato指出,“如今業(yè)界已經(jīng)成功地使用一個(gè)無(wú)線(xiàn)電單元實(shí)現了超過(guò)1Gb/s的容量。實(shí)現這種突破性的特殊技術(shù)包括高調制方案(高達512QAM)的應用、自適應代碼調制(ACM)的開(kāi)發(fā)以及針對頻率復用的先進(jìn)交叉極性抵消系統的使用。”

他繼續指出,“例如,ACM可以更高效地處理無(wú)線(xiàn)電鏈路中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)容量變化(由于衰落或可變天氣條件引起的變化)。為了應對這些變化,調制方式會(huì )隨之變化:確保高優(yōu)先級服務(wù)始終比盡力而為的流量更優(yōu)先地提供。然而,應用ACM也會(huì )引起挑戰:在上行鏈路的無(wú)線(xiàn)電方向會(huì )發(fā)生擁塞,這是由于管理來(lái)自不同接入源的新興業(yè)務(wù)的當代節點(diǎn)式混合微波設備的局限性引起的。”

Volpato解釋說(shuō),這些混合微波設備同一上行鏈路無(wú)線(xiàn)電信道的兩個(gè)固定部分處理時(shí)分復用(TDM)和數據業(yè)務(wù)。TDM業(yè)務(wù)經(jīng)常得到固定大小的帶寬,并加以靜態(tài)保留?;谶@種情況,自適應調制技術(shù)只能應用于當前業(yè)務(wù)環(huán)境中的數據部分。這種情況源自TDM服務(wù)使用固定時(shí)隙、即便其中一些時(shí)隙空閑也要傳輸這樣的事實(shí)。當擁塞發(fā)生時(shí),不管相對優(yōu)先級如何,所有數據業(yè)務(wù)都會(huì )受到影響(包括互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語(yǔ)音(VoIP)在內)。
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最新代微波數據包無(wú)線(xiàn)電設備正在努力克服這種限制,這些設備將所有類(lèi)型的業(yè)務(wù)都當作可以用單個(gè)以太網(wǎng)交換機發(fā)送的數據包進(jìn)行處理。它們在無(wú)線(xiàn)電方向上也采用統計復用技術(shù),以便更好地利用信道容量。例如,阿爾卡特-朗訊公司的9500微波數據包無(wú)線(xiàn)電設備借助自適應調制技術(shù)支持在延時(shí)和抖動(dòng)方面獨立于網(wǎng)絡(luò )負荷的確定性行為。服務(wù)作為優(yōu)先級的函數進(jìn)行處理。例如,固有的TDM語(yǔ)音被轉換為數據包,并與VoIP結合在一起,以便微波數據包無(wú)線(xiàn)電設備僅需處理單個(gè)語(yǔ)音服務(wù)。

這些系統解決方案的基礎在于同樣依賴(lài)于數據技術(shù)的元件設計的發(fā)展。例如,為了回答減小放大器失真、提高功效和增加輸出功率的問(wèn)題,Scintera公司最近與Richardson Electronics公司合作向市場(chǎng)推出SC1887功率放大器(PA)(圖1)。這種功率放大器據稱(chēng)無(wú)需訪(fǎng)問(wèn)同相/正交(I/Q)基帶信號就能提供迫切需要的線(xiàn)性來(lái)改善效果。SC1887自適應射頻功放線(xiàn)性化電路(RFPAL)據稱(chēng)可以提供高達26dB的相鄰通道泄漏比(ACLR)。這種解決方案不需要使用模數轉換器(ADC)或數模轉換器(DAC)。借助Scintera公司的射頻功放線(xiàn)性化電路,設計工程師可以在射頻域中完成復雜的信號處理。這種解決方案可以應用于種類(lèi)廣泛的各種信號,包括2G、3G、4G和其它調制類(lèi)型,因為其模擬信號處理引擎能夠線(xiàn)性化高效率的功放拓撲。

熱點(diǎn)探討!數字技術(shù)能否掌控4G基礎設施?


圖1:這種系統級芯片解決方案可以提供射頻功率放大器預矯正所需的所有功能

據Scintera公司銷(xiāo)售與營(yíng)銷(xiāo)副總裁Kris Rauch表示,“這款I(lǐng)C通過(guò)集成有先進(jìn)模擬電路的片上微控制器實(shí)現了受數字控制的可編程模擬信號處理器。這種解決方案可以利用軟件重新配置,從而支持廣泛的調制類(lèi)型和所有工作條件下的信號帶寬。”

Richardson Electronics公司射頻/微波產(chǎn)品部副總裁Chris Marshall表示,“Scintera的模擬預矯正方法吸引了許多人的關(guān)注,因為這種方法很容易實(shí)現。作為一種射頻至射頻解決方案,它可以應用于不能訪(fǎng)問(wèn)基帶信號的功放設計。雖然高達26dB的潛在A(yíng)CLR改進(jìn)沒(méi)有數字預矯正(DPD)設計那么突出,但最小工程成本和相對較低的單元價(jià)格對較小規模的生產(chǎn)運轉以及中繼器和其它低功耗設計來(lái)說(shuō)極具吸引力,因為在這些場(chǎng)合DPD開(kāi)銷(xiāo)變得非常大,其相對較低的操作成本無(wú)法抵消價(jià)格的顯著(zhù)上升。”

諸如DPD和振幅因子減少等先進(jìn)數字算法在線(xiàn)性化功放和改進(jìn)發(fā)射器效率(從不到10%提高到40%以上)方面變得越來(lái)越流行,亞諾德半導體公司(ADI)通信基礎設施區域小組區域應用工程師Gina Colangelo表示。她強調指出,DPD要求使用帶高帶寬ADC的觀(guān)察接收器實(shí)現耦合式功放輸出的下變頻。先將數字版本的發(fā)射波形與接收到的波形進(jìn)行比較,然后由自適應算法計算/更新全套系數來(lái)預加載下一個(gè)發(fā)射波形。隨著(zhù)自適應算法的收斂,功放得到線(xiàn)性化,輸出失真得到顯著(zhù)減小。與前向反饋線(xiàn)性化等其它模擬線(xiàn)性化方法相比,速度的提升和采用更精細的走線(xiàn)工藝使得DPD對多天線(xiàn)發(fā)射系統來(lái)說(shuō)顯得更具可擴展性。

如上所述,很高速度的DAC在今天的無(wú)線(xiàn)基礎設施中也扮演著(zhù)重要的角色,因為它們是主要的信號發(fā)生器。Colangelo指出,“這些DAC正在執行原本由包括基帶處理器在內的各種額外電路元件完成的許多功能。另外,數據接口越來(lái)越多的使用低壓差分信號(LVDS)可以使數據速率高達1200Msamples/s甚至更高,同時(shí)保持較低的功耗和電源電壓。DAC的高輸入數據速率有助于增加發(fā)射路徑的輸入帶寬,允許更高階的DPD算法或更寬的校正帶寬。LVDS還具有輻射低的特性,可以提供更好的抗噪聲性能和時(shí)序性能。”
最新的信號處理DAC,如ADI的AD9122 TxDAC+,可以在復雜的中頻(IF)直接轉換架構中工作。這些DAC提供完全調制的中頻I和Q信號,這些信號可以通過(guò)模擬正交調制器和功放直接饋入天線(xiàn),不需要額外的信號調制。
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通過(guò)利用數字超導技術(shù),Hypres公司已經(jīng)能夠開(kāi)發(fā)出在采樣速度、分辨率和帶寬方面超過(guò)目前ADC產(chǎn)品的ADC器件(圖)。當在射頻或微波收發(fā)器中使用時(shí),這種數字超導技術(shù)允許非常寬帶的射頻信號或微波信號直接在天線(xiàn)之后被數字化。Hypres公司首席執行官Richard Hitt指出,這種技術(shù)不需要使用下變頻器或多個(gè)ADC、濾波器和放大器,“在信號鏈頂端(接近天線(xiàn))如此精確快速地數字化這么寬頻譜的信號建立起了通達真正全數字系統的路徑,數字基帶現在有了真正數字的配套前端。對于射頻和微波工程師來(lái)說(shuō),不再需要設計工作區來(lái)幫助提升或調整在通往數字基帶處理器的流行模擬信號鏈前端中質(zhì)量受到損傷的信號。”

熱點(diǎn)探討!數字技術(shù)能否掌控4G基礎設施?

當在射頻或微波收發(fā)器中實(shí)現時(shí),數字超導技術(shù)技術(shù)允許在天線(xiàn)后對寬帶射頻或微波信號直接數字化

正如上述幾個(gè)為數不多的例子表明,豐富的前沿數據技術(shù)正在為下一代基礎設施設計師提供看似永無(wú)窮盡的功能選項。就像一般的前沿新興技術(shù)一樣,其中一些技術(shù)已經(jīng)在互相競爭。另外,由于費用、可靠性、穩健性和性能問(wèn)題,有許多技術(shù)可能還不是解決現實(shí)問(wèn)題的實(shí)用解決方案。不過(guò),不管哪種解決方案能贏(yíng)得LTE的青睞,有件事是確定的:無(wú)線(xiàn)基礎設施的未來(lái)將越來(lái)越多的依賴(lài)于數字技術(shù)。

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