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射频采样技术的应用

作者：赵娜秦浩邵晓日期：2015-11-11 09:54 来源：未知

一、背景技术
随着通讯技术的发展网络通讯质量和网络覆盖率已经成为各大运营商运营竞争的主要指标，目前基站的RRU单元射频部分有两种发展方向，一种是主要用于微站的高集成SOC芯片，单芯片使用零中频技术集成了发射链路、接收链路和DPD反馈链路，主要解决市场对于微站的小型化低功耗的要求，目前此产品已经逐步改进优化进一步推广于宏基站场景。
另外一种是应用宏基站的射频采样芯片，主要解决系统不断提高的带宽要求，此产品目前已经逐步在市场应用推广。在超宽带、模拟数字化、小型化、5G系统等基站演进中，射频采样技术可能成为一种方向性方案。
早期的通讯基站中的RRU产品支持的是单一的通讯频段，不同的通讯制式配置单载波，且载波之间的间隔在通讯协议中也进行了明确的规定。
随着通讯用户数的剧增以及数据业务的支持要求，不同制式的混模多载波应用成为设计的必要关注点，为了在不增加基站设备数量的条件下支持更多的用户，考虑通过拓宽基站输出的带宽以增加每通道输出的信号的载波数从而实现用户支持率的扩充。本文所述射频采样技术支持了RRU产品射频部分的宽带实现，可以支持多制式、多频段的宽带应用。

图 1 射频采样技术在基站发射链路中的应用

二、射频采样技术简介
射频采样技术在基站系统主要应用于发射链路和接收链路。
下面主要介绍射频采样技术在基站系统的发射链路的应用，主要完成数字基带信号到通讯模拟射频信号的一次变频功能。
如图1所示，对比传统DAC+IQMOD+DVGA的链路结构，射频采样采用RFDAC+DVGA的链路结构，此应用从链路结构、器件数量、系统性能等各方面都有提升。
采样时钟的选取对于射频采样的应用也很关键，首先需要保证采样镜频信号远离主信号以便降低对信号选择滤波器的抑制要求，其次需要规避时钟的多次谐波和射频信号的混频信号，以便防止其采样折叠后进入射频通道所在奈奈奎斯特区域成为干扰信号，影响射频输出杂散指标，对于无法避免的落入的干扰信号需要查看器件指标保证其大小满足协议关于输出的杂散要求。
不同公司的射频采样产品，时钟在芯片中的设计差异导致实际的干扰信号的成分和大小存在差异，因此选用芯片时需要针对性的进行设计选取。
目前的发射射频采样芯片有单通道和双通道两种，单通道的器件支持相同通讯频段下不同制式的混模应用，也支持不同通讯频段下不同制式的混模应用，不同的频段的信号的总带宽最大为器件支持的信号带宽；对于双通道的芯片应用可以实现带宽扩充功能，即射频采样芯片两个通道的数字部分处理两组不同的基带信号，在芯片内部进行合路之后再变频输出，这样的实现方式完成了相同数据速率下，最终输出的射频信号带宽是单通道输出射频信号带宽的两倍。
射频采样技术在接收链路的应用较发射链路的应用较晚一些。对接收链路而言，射频采样方案需要的链路增益较传统的方案要求降低，因此链路的器件数量减少，架构简单；链路中少了混频器从而没有镜频干扰、半中频干扰等杂散，可以节省链路滤波器的设计；特别对于GSM的800KHz的阻塞指标对时钟的相噪高要求较高，目前可以满足此性能的器件很少。
射频采样技术在DPD接收链路的应用可以借鉴接收链路的应用经验，差异在于DPD链路对对信号带宽的要求和发射链路一样，因此时钟选择、带宽计算等借鉴发射链路的设计标准。
三、射频采样芯片在发射链路中的应用
本文介绍芯片MAX5870在基站发射链路的应用，MAX5870是一颗单通道射频采样器件，数字接口采用LVDS接口，需要外部提供采样时钟（后续的的产品均考虑将时钟模块集成在芯片中，提供参考时钟即可），最大采样时钟6GHz，可以支持主要移动通讯频段，最大支持带宽600MHz，芯片的关键性能介绍如下所示：
1. 满量程输出：-3~0dBm
2.DAC Resolution：14bit
3. 信号带宽：600MHz
4. 采样时钟：6GHz
5.IMD3:75dBc
6. 输出底噪：-158dBm/Hz
MAX5870在发射链路应用框图参考图1所示，时钟选择 5GHz，接口速率选择 614.4MHz，基带输出的 2.1GHz 的LTE 信号和 1.8GHz 的 GSM 混模信号经过 MAX5870 处理后经过DVGA进行增益放大后再经PA放大后从天线口发出，基带信号和MAX5870的接口采用LVDS接口（下一代产品将改为 JESD204B 接口），射频单板在 MAX5870 后测试关键的链路性能如下所示：
1. 输出功率：-19dBm@1GHz
2. 带内杂散：-102dBm/100KHz
3. 输出底噪：-157dBm/Hz
按照上述指标，系统级联后在48dBm额定输出功率下，杂散辐射满足指标要求，DPD训练下的混模输出满足系统参数要求。
下面针对上述发射射频采样芯片在发射链路的应用进行分析总结。
1、优点：
(1)使用数字变频完成I/Q信号的调制处理，采样镜频信号距离主信号较远，降低了滤波器对带外干扰抑制的难度；
(2)因为节省了模拟调制器，所以不需要进行DAC和调制器之间的匹配电路的设计，简化了模拟链路；也不需要本振模拟信号参与变频从而无需处理本振泄露以及本振和中频的多次混频杂散，射频通讯频段对应的带内频谱干净；
(3)射频信号支持较宽的信号带宽，因此输出的信号可以支持同频的混摸输出，也支持异频的混模输出，随着射频采样芯片支持的射频采样频率的不断提升，能够支持的异频频段的带宽随之不断提升。
2、缺点：
(1)时钟设计集成在射频采样芯片中，因此时钟的多次谐波以及其和射频信号的混频产物泄露需要进行频率规划；对于频段较高的通讯频段，当采样时钟不够高时镜频信号做为带外信号泄露较大，滤波器的抑制要求需要根据其是否会落入其他通讯频段影响共站应用进行选择性处理；
(2)目前的可应用芯片的输出功率偏低，对于单载波应用底噪指标满足要求，对于多载波多模式的大带宽应用，底噪指标临界甚至超标。
(3)目前芯片的应用还处于研发验证阶段，随着器件的应用推广其功能逐步完善，性能逐步提升，成本也将随着芯片的应用数量增加得到优化。
目前各芯片厂家都着力于研究和推出适用于基站系统的射频采样器件，且芯片在功能上进一步集成热传感器、增益控制、时钟外供等辅助功能，为设计者带来了方便。
四、结论
本文介绍了射频采样技术在基站RRU射频系统中的应用，主要适用于多模、多制式、多频段、大带宽的应用场景。目前基站RRU产品中射频采样技术已经在发射链路应用，且射频芯片的功能随着应用的推广在进一步完善和丰富；适用于接收通路和DPD处理硬件链路的射频采样芯片也已经设计使用，芯片的功能和性能也会随着应用的深入而优化。随着这三个模块的射频技术的成熟应用，工艺水平和集成技术的发展，高集成的射频采样收发单芯片将成为可能，那么射频链路的小型化和大带宽应用将同时解决。