活用高整合配套元件　開放架構5G小基站輕鬆設計

要取得成功並保持高性價比，必須提供開源的無線電設備和優化的5G技術。本文將介紹其中一種用於設計和建構高功效比的解決方案。

5G帶來挑戰

無線電和網路工程師目前使用幾種技術來實現這些目標。除了將資料服務移動到網路終端之外，還使用大規模多輸入/多輸出系統(MIMO)和小型基地台技術來協助提高容量和輸送量。大規模MIMO技術在陣列中使用多個無線電，此舉不僅可以實現容量，還可以覆蓋中心位置。和它的前身全功率大型基地台一樣，大規模MIMO無線電可以自身為圓心提供相對廣泛的覆蓋範圍。但是，大規模MIMO無線電使用更高的頻率，一般是2.6GHz以上，這個頻率對建築物的穿透性並不高。為了服務室內位置和其他難以到達的室外區域，須使用小型基地台。有鑑於室內和室外位置的數量，從家庭到企業安裝，再到消費購物場所乃至競技場，小型基地台的使用將是5G取得成功的關鍵。由於網路中需要使用數量龐大的小型基地台和多種部署，所以安裝和運行成本必須低廉，這是推動實現5G的關鍵。

多種技術支援5G解決方案

在過去幾年裡，多種技術朝著支援5G解決方案的方向發展。首先，從基本頻率角度來看，摩爾定律不僅持續降低每個閘極的矽成本，而且將更複雜的功能整合至無線電技術中。現在可以將許多所需的控制演算法，直接整合到無線電設備中，包括數位預失真(DPD)等功能。隨著新生代無線電設備的問世，出現許多其他的可能性。

其次，像O-RAN這樣的產業聯盟，正在整個無線產業進行合作，以實現規模經濟，不僅可以降低成本，還可以提高供應鏈的安全性，並提供透過這些無線網路盈利的新方法。具體來說，O-RAN聯盟是由營運商建立的，目的在於明確定義要求，並協助建立供應鏈生態系統來實現其目標。為了實現這些目標，O-RAN聯盟的工作奉行「開放和智慧的原則」。因此，他們側重於定義3GPP指定的物理介面，以實現標準化，並在產業中作為可互通操作的白盒解決方案使用。此外，O-RAN還定義硬體要求，並提供開放式集中單元(O-CU)、開放式分散單元(O-DU)和開放式無線電單元(O-RU)的參考設計。它們會使前傳網路和基頻處理器實現標準化，進一步降低解決方案成本。它們與其他整合式5G設備(例如整合式無線電)一起，可用於定義小型基地台的發展，並推動進行這些標準。這些機構的工作是非常關鍵的一步。

第三，無線電技術在過去幾年中得到迅速發展。高性能無線電現在有多種架構，可以滿足3GPP在38.104和相關文件中要求的性能標準。這些無線電高度整合，不僅包含類比和RF元件，還包括DPD和削峰(CFR)等關鍵演算法。雖然這些無線電是基於細線CMOS建構的，但RF前端也在經歷其他發展，其中，低成本RF製程如SiGe、SOI、GaN、GaAs等，正轉變為高度整合的LNA和高功率、高性能的PA，可以滿足這些標準的要求。 最後，提供高度整合和節能的解決方案，包括乙太網路供電(PoE)、標準電源裝置、監控和保護解決方案，它們尺寸精巧，但可以提供所需的電源。這些解決方案在無線電環境中提供非常高的效率和非常低的雜訊，且提供選項，用於保護關鍵裝置，例如功率放大器。

這些技術結合在一起，實現低成本、高性能的小型基地台設備平台，可以高效部署在營運商網路中，以支援小功率和大功率系統，有效提供5G通訊所需的訊號覆蓋，並提高配置彈性。

系統概述

圖1顯示典型的4個發射器和4個接收器(4T4R)5G小型基地台系統的框圖。可以採用多種組合，包括2T2R和一系列功率等級(從24dBm和更高)。後續討論以此圖為基礎，主要介紹可以輕鬆擴展，適應O-RU中的頻段和功率變化的5G技術設備。

主要無線電元件

過去10年，整合式收發器已發展成為高性能平台。有公司如ADI的RadioVerse系列包含多種整合式收發器，其支援達200MHz占用頻寬，整合DPD等功能。該系列產品不僅滿足5G技術設備的要求，也一如既往支援LTE和多載波GSM RF要求，最新一代如圖2所示，是一種4T4R配置。 每款RadioVerse裝置都包含建構完整無線電所需的一切(LNA和PA除外)。這包括發送和接收、合成器和時脈等所有功能。還包括運行AGC和增益控制放大器所需的狀態機和VGA。雖然RadioVerse產品都使用達6GHz的寬頻，但LNA和PA並非如此，必須制定頻段或頻率範圍。因此，為了完成無線電設計，必須將合適的LNA和PA與RadioVerse晶片配對。

接收器訊號鏈示例

ADRV9029與ADRF5545A組合使用時，如圖3所示，可以建構雙晶片接收器。ADRF5515接腳相容，也可以使用。它與幾個被動元件組合，就可以構成非常精巧的高性能接收器設計，如圖4中的訊號鏈所示。此架構的關鍵優勢在於可能達到高水準整合，如此不但可以實現極低的運行成本，還能使功耗降至最低。

RadioVerse系列的架構取消經典接收器設計中常使用的許多元件，包括一些RF放大、濾波和其他大部分無線電功能的整合，包括通道濾波器(類比/數位)和基本頻率放大器，這些元件通常是系統中最大、功率最高的裝置，相較於包括直接RF採樣在內的其他架構，此架構可明顯節省成本。

如圖4所示，小型基地台接收器組成包括環形器(適用於TDD應用)、ADRF5545A、SAW/BAW(表面聲波/體聲波)或整體式濾波器、巴倫器(Balun)和收發器。鑒於ADRV9029和RadioVerse系列中的其他元件具有較佳的雜訊性能和低輸入IP1dB，所以毋需使用其他放大器或VGA。使用這個訊號鏈之後，從天線到資料位元，可以支援整個系統低至2dB的雜訊係數。雖然此設計中包含一個整合式RF前端模組(FEM)，但許多設計仍然使用分立式設計。整合式FEM利用整合來滿足天線濾波器稍微提高的濾波器要求，但仍然提供對於許多高度整合的解決方案來說具有吸引力的設計，例如大規模MIMO和其他TDD部署，通常使用分立式前端來實現FDD設計。

假設LNA之前的耗損為約0.5dB，如果具有濾波器的耗損為1dB，根據兩款主動裝置的資料手冊規格，則整個接收器訊號鏈的標準NF應為約2dB。假設與MCS-4一致的訊號雜訊和失真率為0dB，那麼G-FR1-A1-1 5G載波(~5MHz)的參考靈敏度為約-104.3dBm。這足以滿足3GPP文件38.104中7.2.2章節的廣域傳導要求，且留有餘量，對局域/小型基地台來說也綽綽有餘，如表1所示，在這種情況下需要-93.7dBm。一些低性能小型基地台應用可能能夠使用單級LNA，例如GRF2093後接一個SAW濾波器。

此外，標準文件38.104的章節7.4.1要求在低於-52dBm(廣域)ACS阻塞下，接收器的衰減不超過6dB。根據圖5所示的NF與輸入位準，在-52dBm時產生的額外雜訊並不比在更低位準下產生的雜訊多。事實上，雜訊基底在Blocker訊號達到-40dBm後才會上升，非常適合需要-44dBm容差的局域ACS。

一般阻塞要求(7.4.2)則要求對相關頻段內的接收器施加-35dBm(局域)的干擾，偏移為±7.5MHz，衰減不得超過6dB。從圖5顯示的訊號鏈的性能來看，衰減僅為約0.9dB。窄頻阻塞是一種功率稍低的CW類阻塞，但這也不是問題。

章節7.5.2中的帶外阻塞可能算是一種更為有趣的挑戰。其中，-15dBm訊號被傳輸至天線輸入。對於頻率低於200MHz的小型基地台，此訊號最接近頻帶邊緣的頻率為20MHz。測試要求對1MHz至12.75GHz範圍進行掃描，不包括20MHz工作頻率以內的頻段。這裡有幾個因素會推動訊號鏈產生優勢。第一，環形器具有有限頻寬，會拒絕許多頻外訊號，但包含在內的訊號不會產生很大影響。第二，ADRF5545A之後的濾波器會提供一定程度的濾波，一般來說，對於帶外20MHz，~2dB抑制是合理的。第三，有公司如ADI收發器系列獨有且最有用的特性要屬內建的頻外抑制，這是收發器結構固有的特性。

ADI AN-1354的說明中，原有的頻外抑制被表示為增加的阻塞訊號位準。在該應用指南中，圍繞通帶任一方向的頻率掃描顯示，在相同等級的衰減下，可以支援更大的訊號此外，在靠近頻帶邊緣的位置，6dB衰減可以對應10dB。之後，整合式濾波器對帶外訊號進行大幅衰減，這些訊號不會在帶內混疊，主要被晶片內濾波和外部濾波衰減。這些模組將-15dBm帶外干擾濾波到約-40~-45dBm，直到20MHz排斥帶。繼續向前，可能受到更高的抑制。在這個階段，圖5顯示出現的衰減可能非常小。

前端模組的線性度可能是更大的問題。此時，可能得出很大的IM3產出。根據實際選擇的FEM，可能需要將頻帶選擇濾波器移動到第二個LNA之前，以確保其不受帶外訊號影響，這通常會產生較大的IM產出。無法在這類FEM的級之間放置濾波器，所以需要採用備用選項。

為了協助限制大型帶外阻斷器的互調的影響，典型的FEM包含二級旁路開關，用於降低增益和保護二級不會被驅動產生非線性，如圖3所示。切換LNA增益使訊號鏈SNR降低1dB，但限制這些大型阻斷器引起的互調失真有助於保護整體動態範圍，抵消雜訊性能的損失。總體而言，如此產生的最差NF為約5.7dB，這仍然在參考靈敏度的局域(小型基地台)覆蓋範圍要求之內。剩餘的濾波器要求由天線濾波器提供，抑制可以根據接收器FEM的低增益壓縮點和IP3決定。

發送器訊號鏈示例

將ADRV9029和合適的RF驅動放大器，或RFVGA組合使用時，可以建構合適的PA、精簡的室內蜂巢式基地台(Picocell)、室外蜂巢式基地台或微型基地台(Microcell)。這些5G技術設備與幾個被動元件組合，就可以構成非常精小且高效的發送器設計，如圖6中的訊號鏈所示。此架構的關鍵優勢在於可能達到的高水準整合，透過使用所選的ADI收發器具備的整合式DPD功能，不但可以實現極低的實施成本，還能使功耗降至最低。

如圖6所示，小型基地台發送器系列由環形器、PA、濾波器和收發器組成。此外，電路的PA輸出端中包含一個耦合器，用於監測輸出失真(也可以用於監測天線的VSWR和正向功率)，可以配合DPD使用，以改善發送功能的運行效率和雜散性能。雖然可以使用外部DPD，但有公司如ADI的收發器包含完全整合的DPD，該DPD採用350mW或更低的增量功率，具體由給定的PA所需的校正量決定。低功率PA需要進行的校正較少，所以DPD消耗的功率更低。此外，由於DPD的頻寬擴展完全在收發器內部進行，觀察接收器SERDES路徑被完全取消，發送器有效載荷降低，使得整合式DPD將SERDES路徑的數量降低至外部基頻晶片的一半。FPGA中的等效DPD通常具有10倍以上的功率，對於低功耗小型基地台和大規模MIMO來說是無效或低效的。但是，透過將DPD整合到收發器中，非常低的功耗和低成本使得DPD能被用於低功耗小型基地台中，可以在不增加外部運算負擔的情況下提高效率和變送線性度。

圖7和圖8顯示ADI的DPD用於低功耗和中功耗小型基地台應用的示例。圖示的激勵源(Stimulus)是針對5個相鄰的20MHz LTE載波，總共100MHz。一般來說，LTE要求最低達到45dB ACLR，大多數部署都可以超過此值。

透過組合使用支援常用頻段

圖9顯示完整的訊號鏈，其中包括一些所需的控制訊號。為了提高功效，該電路包含發送和接收訊號功能，以在各自的週期內為TDD啟用和禁用放大器。同樣，它可與FDD配合使用，在插槽未使用時關斷電源，以節省功率。還需要使用LNA開關來更改LNA上的輸入開關，以將返回的變送功率分流至端電極，而不是分流至核心放大器輸入。這些不同的訊號可以由ASIC、FPGA或收發器產生和編配。

接收器訊號鏈包括一個可以相應改變數位資料流程的函數，以說明類比增益降低的原因，在訊號發送至低PHY，然後發送至基頻下游其他部分時保持絕對訊號位準。

此處所示的應用適用於單頻段。雖然收發器使用寬頻且覆蓋至達6GHz的所有頻率，但並非設計中的所有裝置都是如此。LNA和PA這類裝置通常使用頻段，需要根據支援的頻段進行選擇。通常情況下，這些裝置在接腳相容選項中提供，覆蓋6GHz以下的所有常用頻段，且易於掃描。如此，可以支援所有的常用TDD和FDD頻段，包括用於5G和提議用於O-RAN的頻段。

時脈配置影響時間校準

根據配置，可以使用幾種不同的時脈配置。如果需要精準的時間校準，則需要使用2級時脈合成。第一級是透過ASIC、FPGA或控制器連接至基頻，以準確計時和校準無線電數位化功能。此應用要求透過前傳網路或本地GPS接收器來處理提供的精準時間協定(PTP)資訊，確保無線電和基頻處理器知道因應無線電幀進行處理的準確時間。

AD9545系列適合用於準確調節無線電的主時脈的頻率、相位和時間。其優點在於，可以配置為在無參考時脈的情況下臨時運行，且在與溫度補償晶體振盪器(TCXO)或恆溫晶體振盪器(OCXO)耦合之後，且在參考時脈出現故障或斷續的情況下保持精度。

對於毋需準確的時間校準的配置，或者作為校準的第二級，需要使用時脈分配裝置。分配裝置的作用在於，為整個無線電產生時脈範圍。這包括JESD、eCPRI、乙太網路、SFP所需的範圍，以及整個無線電的其他關鍵訊號所需的範圍。AD9528提供14種不同速率的低抖動時脈，包括支援JESD204B/JESD204C設備時脈和SYSREF訊號功能。

2級時脈框圖如圖10所示。對於毋需準確校準時間的應用，可以去掉或繞過AD9545，僅使用AD9528。系統的輸入時脈來自於基本的網路定時，由乙太網路功能塊或FPGA中的基頻和網路功能恢復，具體由實際架構決定。可以根據無線電的具體要求選擇多種備用配置，此處只顯示一種表示方法。

多重因素影響功耗

功耗是由多種因素決定的，包括選擇的FPGA、採用的功能、選擇的收發器、啟用的選項、所需的時脈樹，以及產生的RF功率。

進行O-RAN CUS和M面處理的典型中等範圍FPGA SoC，加上與IEEE 1588 v2 PTP堆疊同步，會消耗約15W。典型的ADRV9029收發器會消耗5~8W，由TDD或FDD配置，以及啟用的DFE功能的範圍決定。為此，必須增加時脈功率、接收器功率、發送器功率，以及其他功率。表2顯示系統(不包括發送器鏈)的功耗總和示例，功率輸出等級不同時，該值存在很大差異。

將無線電的功耗相加，Tx:Rx在70:30操作週期下的總功耗為26~29W，具體由實際採用的無線電配置決定(不包括與PA相關的功耗)。表3顯示少數幾個PA功耗示例。由於PA主要在AB類電晶體的線性範圍內工作，所以它們的效率在20~50%之間。在這個範圍內，整合式DPD大有優勢。即使對於小頻寬、低功耗PA，數十mW的DPD功耗也會抵消PA效率的改進。

對於低功耗小型基地台，增加約2.5W額外功率會讓總功耗增加至約30W，對於由PoE解決方案供電的被動冷卻室內小型基地台非常合適。

一種潛在的PoE解決方案如圖11所示。該解決方案包括LT4321橋控制器，它使得MOS電晶體可以用於理想的二極體，而不是整流器，其優點在於可以大幅提高效率。其後接LT4295，這是一個符合802.3bt標準的PD裝置，還可以後接合適的本地穩壓器，以滿足之前的表中所示的要求，按照需要提供達90+W的功率。

除了PoE轉換裝置外，還可以使用許多其他裝置來支援小型基地台參考設計。其中包括基礎裝置，例如ADP5054系列，該系列專用於為收發器、許多其他降壓轉換器和低雜訊LDO穩壓器供電，如圖12所示。

這個無線電架構的一大優點是它非常彈性，可以滿足多種市場需求。此架構針對多種應用進行優化，包括FDD和TDD。它可以在低、中和高頻段內保持高性能，非常適合小型基地台到大規模MIMO平台。可以在發送器和接收器電路中進行不同的權衡取捨，以優化成本、尺寸、重量和功率。雖然本部分側重於更高的性能和整合，但可以透過選擇稍微不同的選項，做出可以改善成本的取捨。

例如一些低功耗PA不需要使用驅動放大器，可以不要求配備。對於許多小型基地台應用來說，RF功率都較低，所以可以使用簡單的TR開關來取代環形器。最後，如果只需要區域性能，可以使用簡單的單級LNA來替換雙級LNA。結果是，成本更低的選項仍然能夠提供不錯的無線電性能。實例如圖13所示。還可以使用許多其他組合，在廣泛的頻率和功率選項內，滿足多種可能。

5G技術設備滿足通訊需求

本文所述的5G技術設備適用於通訊應用，支援實現適合5G開發的低成本設備，尤其是實現O-RAN O-RU解決方案的裝置。其中包括來自RadioVerse系列的裝置、RF放大器、時脈恢復/同步，以及乙太網路供電/負載點調節。這些高度整合的裝置組合可用於實現5G小型基地台、全功率大型基地台、微型基地台和大規模MIMO應用。

與FPGA、eASIC或ASIC中提供的合適的PHY和軟體組合使用時，可以開發完整的O-RU解決方案，如圖14所示。此解決方案是與Intel、Comcores和Whizz Systems等合作夥伴共同開發的。這些解決方案不僅滿足所需的RF特性，而且滿足部署低成本、高性能O-RAN平台所需的成本和功率預算。

(本文作者為ADI系統工程師)