5G带来了哪些寻衅？
无线电和网络工程师目前利用几种技能来实现这些目标。除了将数据做事移动到网络终端之外，还利用大规模MIMO和小型蜂窝技能来帮助提高容量和吞吐量。大规模MIMO技能在阵列中利用多个无线电，此举不仅可以实现容量，还可以覆盖中央位置。和它的前身宏蜂窝一样，大规模MIMO无线电可以环绕该位置供应相对广泛的覆盖范围。但是，大规模MIMO无线电利用更高的频率，一样平常是2.6 GHz及以上，这个频率对建筑物的穿透性并不高。为了做事室内位置和其他难以到达的室外区域，我们将利用小型蜂窝。鉴于室内和室外埠位的数量，从家庭到企业安装，再到消费购物场所乃至竞技场，小型蜂窝的利用将是5G取获胜利的关键。由于网络中须要利用数量弘大的小型蜂窝和多种支配，以是安装和运行本钱必须低廉；这是推动实现5G的关键。
可以利用哪些技能？
在过去几年里，多种技能朝着支持5G办理方案的方向发展。首先，从基带角度来看，摩尔定律不仅连续降落每个栅极的硅本钱，而且将更繁芜的功能集成到无线电技能中。现在可以将许多所需的掌握算法直接集成到无线电器件中，包括数字预失落真(DPD)等功能。随着新生代无线电的问世，涌现了许多其他的可能性。
其次，像O-RAN2这样的行业同盟正在全体无线行业进行互助，以实现规模经济，不仅可以降落本钱，还可以提高供应链的安全性，并供应通过这些无线网络盈利的新方法。详细来说，“O-RAN同盟是由运营商建立的，旨在明确定义哀求，并帮助建立供应链生态系统来实现其目标。为了实现这些目标，O-RAN同盟的事情奉行“开放和聪慧的原则”。3因此，他们侧重于定义3GPP指定的物理接口，以实现标准化，并在行业中作为可互操作的白盒办理方案利用。此外，O-RAN还定义了硬件哀求，并供应了O-CU、O-DU和O-RU（分别表示开放式集中单元、开放式分配单元和开放式无线电单元）的参考设计。它们会使前传网路和基带处理器实现标准化，进一步降落办理方案本钱。它们与其他集成式5G器件（例如集成式无线电）一起，可用于定义小型蜂窝的发展，并推动履行这些标准。这些机构的事情是非常关键的一步。
第三，无线电技能在过去几年中得到迅速发展。高性能无线电现在有多种架构，可以知足3GPP在38.104和干系文档中哀求的性能标准。1这些无线电高度集成，不仅包含仿照和RF元件，还包括DPD和削峰(CFR)等关键算法。虽然这些无线电是基于细线CMOS构建的，但RF前端也在经历其他发展，个中，低本钱RF工艺（SiGe、SOI、GaN、GaAs等）正转变为高度集成的LNA和高功率、高性能的PA，可以知足这些标准的哀求。
末了，供应高度集成和节能的办理方案，包括以太网供电(PoE)、标准电源器件、监控和保护办理方案，它们尺寸紧凑，但可以供应所需的电源。这些办理方案在无线电环境中供应非常高的效率和非常低的噪声，且供应选项，用于保护关键器件，例如功率放大器。
这些技能结合在一起，实现了低本钱、高性能的小型蜂窝平台，可以高效支配在运营商网络中，以支持小功率和大功率系统。
系统概述
图1显示了范例的4T4R（4个发射器和4个吸收器）5G小型蜂窝的框图。可以采取多种排列，包括2T2R和一系列功率等级（从24 dBm和更高）。后续谈论以此图为根本，紧张先容可以轻松扩展，适应O-RU中的频段和功率变革的5G技能器件。
图1.小型蜂窝功能框图
紧张无线电元件
在过去10年，集成式收发器已发展成为高性能平台。ADI RadioVerse™系列包含多种集成式收发器，它们支持高达200 MHz占用带宽，集成了DPD等前辈功能。该系列产品不仅知足5G技能器件的哀求，也一如既往地支持LTE和多载波GSM RF哀求。对付这些器件，虽然我们在不断进行新一代的开拓，最新一代如图2所示，为ADRV9029，是一种4T4R配置。还供应其他产品，包括带和不带集成式DPD，以及采取包括2T2R在内的其他配置的器件。
每款RadioVerse器件都包含构建完全无线电所需的统统（LNA和PA除外）。这包括发送和吸收、合成器和时钟等所有功能。还包括运行AGC和增益掌握放大器所需的状态机和VGA。虽然RadioVerse产品都利用高达6 GHz的宽带，但LNA和PA并非如此，必须制订频段或频率范围。因此，为了完成无线电设计，必须将得当的LNA和PA与RadioVerse IC配对。以下章节将描述5G NR小型蜂窝的吸收和发送旗子暗记链，并对如何选择这些器件供应一些见地。
图2.ADRV9029收发器
吸收器旗子暗记链示例
ADRV9029与ADRF5545A组合利用时（如图3所示），可以轻松构建2芯片吸收器。ADRF5515引脚兼容，也可以利用。它与几个无源元件组合，就可以构成非常紧凑的高性能吸收器设计，如图4中的旗子暗记链所示。此架构的关键上风在于可能达到高水平集成，如此不但可以实现极低的履行本钱，还能使功耗降至最低。4
RadioVerse系列的架构取消了经典吸收器设计中常利用的许多元件，包括一些RF放大、滤波和剩余大部分无线电功能的集成，包括通道滤波器（仿照和数字）和基带放大器。这些元件常日是系统中最大、功率最高的器件，比较包括直接RF采样在内的其他架构，此架构可以显著节省本钱。
图3.ADRF5545A双通道TDD吸收器前端
如图4所示，小型蜂窝吸收器系列包括环形器（适用于TDD运用）、ADRF5545A、SAW/BAW（表面声波/体声波）或整体式滤波器、巴伦和收发器。鉴于ADRV9029和RadioVerse系列中的其他产品具有出色的噪声性能和低输入IP1dB，以是无需利用其他放大器或VGA。利用这个旗子暗记链之后，从天线到数据比特位，可以支持全体系统低至2 dB的噪声系数。虽然此设计中包含一个集成式RF前端模块(FEM)，但许多设计仍旧利用分立式设计（此处不予详述）。集成式FEM利用集成来知足天线滤波器轻微提高的滤波器哀求，但仍旧供应对付许多高度集成的办理方案来说具有吸引力的设计，例如大规模MIMO和其他TDD支配。常日，利用分立式前端来实现FDD设计。
假设LNA之前的消耗为约0.5 dB，如果带滤波器的消耗为1 dB，根据两款有源器件的数据手册规格，则全体吸收器旗子暗记链的标称NF应为约2 dB。假设与MCS-4同等的信噪比和信纳比为0 dB，那么G-FR1-A1-1 5G载波(~5 MHz)的参考灵敏度为约–104.3 dBm。这足以知足章节7.2.2中38.104的广域传导哀求，且留有余量，对局域/小型蜂窝来说也绰绰有余，如表1所示，在这种情形下须要–93.7 dBm。一些低性能小型蜂窝运用可能能够利用单级LNA，例如GRF2093，后接一个SAW滤波器。
图4.吸收器旗子暗记链详情
表1.38.104吸收器分类
此外，38.104章节的7.4.1哀求在低于–52 dBm（广域）ACS壅塞下，吸收器的衰减不超过6 dB。根据图5所示的NF与输入电平，在–52 dBm时产生的额外噪声并不比在更低电平下产生的噪声多。事实上，本底噪声在Blocker旗子暗记达到–40 dBm后才会上升，非常适宜须要 –44 dBm容差的局域ACS。
一样平常壅塞哀求(7.4.2)哀求对干系频段内的吸收器施加–35 dBm（局域）的滋扰，偏移为±7.5 MHz，衰减不得超过6 dB。从图5显示的ADI公司的旗子暗记链的性能来看，衰减仅为约0.9 dB。窄带壅塞是一种功率稍低的CW类壅塞，但这也不是问题。
图5.吸收器NF与输入电平
章节7.5.2中的带外壅塞可能算是一种更为有趣的寻衅。个中，–15 dBm旗子暗记被传输至天线输入。对付频率低于200 MHz的小型蜂窝，此旗子暗记最靠近频带边缘的频率为20 MHz。测试哀求对1 MHz至12.75 GHz范围进行扫描，不包括20 MHz事情频率以内的频段。这里，有几个成分会推动旗子暗记链产生上风。第一，环形用具有有限带宽，会谢绝许多带外旗子暗记，但包含在内的旗子暗记不会产生很大影响。第二，ADRF5545A之后的滤波器会供应一定程度的滤波，一样平常来说，对付带外20 MHz，~20 dB抑制是合理的。第三，ADI收发器系列独占且最有用的特性要属内置的带外抑制，这是收发器构造固有的特性。在ADI公司运用条记AN-1354的图20中，固有的带外抑制被表示为增加的壅塞旗子暗记电平。在该运用条记中，环绕通带任一方向的频率扫描显示，在相同等级的衰减下，可以支持更大的旗子暗记。在该运用条记中可以看到，在靠近频带边缘的位置，6 dB衰减可以对应10 dB。之后，集成式滤波器对带外旗子暗记进行大幅衰减，这些旗子暗记不会在带内混叠，紧张被片内滤波和外部滤波衰减。
这些模块将–15 dBm带外滋扰滤波到约–40 dBm至–45 dBm，直到20 MHz排斥带。连续向前，可能受到更高的抑制。在这个阶段，图5显示涌现的衰减可能非常小。
前端模块的线性度可能是更大的问题。此时，可能得出很大的IM3产物。根据实际选择的FEM，可能须要将频带选择滤波器移动到第二个LNA之前，以保护其不受带外旗子暗记影响，这常日会产生较大的IM产物。无法在这类FEM的级之间放置滤波器，以是须要采取备用选项。
为了帮助限定大型带外阻断器的互调的影响，范例的FEM包含二级旁路开关，用于降落增益和保护二级不会被驱动产生非线性，如图3所示。切换LNA增益使旗子暗记链SNR降落1 dB，但限定这些大型阻断器引起的交调失落真有助于保护整体动态范围，抵消噪声性能的丢失。总体而言，如此产生的最差NF为约5.7 dB，这仍旧在参考灵敏度的局域（小型蜂窝）覆盖范围哀求之内。剩余的滤波器哀求由天线滤波器供应，抑制可以根据吸收器FEM的低增益压缩点和IP3决定。
变送器旗子暗记链示例
将ADRV9029和得当的RF驱动放大器，或RFVGA组合利用时（访问analog.com/rf理解更多选项），可以轻松构建得当的PA、紧凑的室内微微蜂窝、室外微微蜂窝或室外微蜂窝5。这些5G技能器件与几个无源元件组合，就可以构成非常紧凑且高效的变送器设计，如图6中的旗子暗记链所示。此架构的关键上风在于可能达到的高水平集成，通过利用所选的ADI收发用具备的集成式DPD功能，不但可以实现极低的履行本钱，还能使功耗降至最低。
如图6所示，小型蜂窝变送器系列由环形器、PA、滤波器和收发器组成。此外，电路的PA输出端中包含一个耦合器，用于监测输出失落真（也可以用于监测天线的VSWR和正向功率），可以合营DPD利用，以改进发送功能的运行效率，以及改进杂散性能。虽然可以利用外部DPD，但选择的ADI收发器包含完备集成的DPD，该DPD采取350 mW或更低的增量功率，详细由给定的PA所需的校正量决定。低功率PA须要进行的校正较少，以是DPD花费的功率更低。此外，由于DPD的带宽扩展完备在收发器内部进行，不雅观察吸收器SERDES路径被完备取消，变送器有效载荷降落，使得集成式DPD将SERDES路径的数量降落至外部基带芯片的一半。FPGA中的等效DPD常日具有10倍以上的功率，对付低功耗小型蜂窝和大规模MIMO来说是无效或低效的。但是，通过将DPD集成到收发器中，非常低的功耗和低本钱使得DPD能被用于低功耗小型蜂窝中，可以在不增加外部打算包袱的情形下提高效率和变送线性度。
图7和图8显示ADI的DPD用于低功耗和中功耗小型蜂窝运用的示例。图示的勉励源是针对5个相邻的20 MHz LTE载波，统共100 MHz。一样平常来说，LTE哀求最低达到45 dB ACLR，大多数支配都可以超过此值。ADI运行一个连续测尝尝验室，始终会检讨所有功率等级的新PA。查看功率放大器测试报告，或咨询工厂，获取ADI供应的可用的DPD技能的最新信息，以及最近通过测试的PA的列表。
图6.变送器旗子暗记链详情
图7.带和不带DPD的范例PA频谱，RF总和为26 dBm
图8.带和不带DPD的范例PA频谱，RF总和为37 dBm
它们如何组合利用？
图9显示完全的旗子暗记链，个中包括一些所需的掌握旗子暗记。为了提高功效，该电路包含变送和吸收旗子暗记功能，以在各自的周期内为TDD启用和禁用放大器。同样，它可与FDD合营利用，在插槽未利用时关断电源，以节省功率。还须要利用LNA开关来变动LNA上的输入开关，以将返回的变送功率分流至端电极，而不是分流至内核放大器输入。这些不同的旗子暗记可以由ASIC、FPGA或收发器天生和编配。
吸收器旗子暗记链包括一个可以相应改变数字数据流的函数，以解释仿照增益降落的缘故原由，在旗子暗记发送至低PHY，然后发送至基带下贱其他部分时保持绝对旗子暗记电平。
此处所示的运用适用于单频段。虽然收发器利用宽带且覆盖至高达6 GHz的所有频率，但并非设计中的所有器件都是如此。LNA和PA这类器件常日利用频段，须要根据支持的频段进行选择。常日情形下，这些器件在引脚兼容选项中供应，覆盖6 GHz以下的所有常用频段，且易于扫描。如此，可以支持所有的常用TDD和FDD频段，包括用于5G和发起用于O-RAN的频段。
时钟树
根据配置，可以利用几种不同的时钟配置。如果须要精确的韶光校准，则须要利用2级时钟合成。第一级是通过ASIC、FPGA或掌握器连接至基带，以准确计时和校准无线电数字化功能。此运用哀求通过前传网路或本地GPS吸收器来处理供应的精确韶光协议(PTP)信息。如此确保无线电和基带处理器知道应对无线电帧履行处理的准确韶光。
AD9545系列非常适宜用于准确调节无线电的主时钟的频率、相位和韶光。其优点在于，可以配置为在无参考时钟的情形下临时运行，且在与TCXO（温度补偿晶体振荡器）或OCXO（恒温晶体振荡器）耦合之后，且在参考时钟涌现故障或断续的情形下保持精度。
对付无需准确的韶光校准的配置，或者作为校准的第二级，须要利用时钟分配器件。分配器件的浸染在于，为全体无线电天生时钟范围。这包括JESD、eCPRI、以太网、SFP所需的范围，以及全体无线电的其他关键旗子暗记所需的范围。AD9528供应14种不同速率的低抖动时钟，包括支持JESD204B/JESD204C器件时钟和SYSREF旗子暗记功能。
2级时钟框图如图10所示。对付无需准确校定时光的运用，可以去掉或旁路AD9545，仅利用AD9528。系统的输入时钟来自于基本的网络定时，由以太网功能块或FPGA中的基带和网络功能规复，详细由实际架构决定。可以根据无线电的详细哀求选择多种备用配置，此处只显示一种表示方法。
图9.完全的收发器旗子暗记链
图10.时钟树示例
功率
功耗是由多种成分决定的。这些成分包括选择的FPGA、采取的功能、选择的收发器、启用的选项、所需的时钟树，以及天生的RF功率。
履行O-RAN CUS和M面处理的范例中等范围FPGA SoC，加上与IEEE 1588 v2 PTP堆栈同步，会花费约15 W。范例的ADRV9029收发器会花费5 W至8 W，由TDD或FDD配置，以及启用的DFE功能的范围决定。为此，必须增加时钟功率、吸收器功率、变送器功率，以及其他功率。表2显示系统（不包括变送器链）的功耗总和示例，功率输出等级不同时，该值存在很大差异。
将无线电的功耗相加，Tx:Rx在70:30占空比下的总功耗为26 W至29 W，详细由实际采取的无线电配置决定（不包括与PA干系的功耗）。表3显示少数几个PA功耗示例。由于PA紧张在AB类晶体管的线性范围内事情，以是它们的效率在20%到50%之间。在这个范围内，集成式DPD大有上风。纵然对付小带宽、低功耗PA，几十mW的DPD功耗也会抵消PA效率的改进。
表2.预算功耗
表3.变送功耗
对付低功耗小型蜂窝，增加约2.5 W额外功率会让总功耗增加至约30 W，对付由PoE办理方案供电的无源冷却室内小型蜂窝非常得当。
一种潜在的PoE办理方案如图11所示。该办理方案包括LT4321桥掌握器，它使得MOS晶体管可以用作空想的二极管，而不是整流器，其优点在于可以大幅提高效率。其后接LT4295，这是一个符合802.3bt标准的PD器件。还可往后接得当确当地稳压器，以知足之前的表中所示的哀求，按照须要供应高达90+ W的功率。
图11.PoE隔离式小型蜂窝电源办理方案
除了PoE转换器件外，还可以利用许多其他器件来支持小型蜂窝参考设计。个中包括根本器件，例如ADP5054系列，该系列专用于为ADI收发器、许多其他降压转换器和低噪声LDO稳压器供电，如图12所示。
选项
这个无线电架构的一大优点是：它非常灵巧，可以知足多种市场需求。此架构针对多种运用进行优化，包括FDD和TDD。它可以在低、中和高频段内保持高性能，非常适宜小型蜂窝到大规模MIMO平台。可以在变送器和吸收器电路中进行不同的权衡取舍，以优化本钱、尺寸、重量和功率。虽然本部分侧重于更高的性能和集成，但可以通过选择轻微不同的选项，做出可以改进本钱的取舍。
例如，一些低功耗PA不须要利用驱动放大器，可以不哀求配备。对付许多小型蜂窝运用来说，RF功率都较低，以是可以利用大略的TR开关来替代环形器。末了，如果只须要局域性能，可以利用大略的单级LNA来更换双级LNA。结果是，本钱更低的选项仍旧能够供应不错的无线电性能。实例如图13所示。还可以利用许多其他排列，在广泛的频率和功率选项内，知足多种可能。
图12.适用于小型蜂窝运用的范例功率树
图13.备用的收发器旗子暗记链
图14.5G原型平台，包括可重新选择频段的RF前端
结论
本文所述的5G技能器件适用于通信运用，支持实现适宜5G开拓的低本钱器件，尤其是实现O-RAN O-RU办理方案的器件。个中包括来自RadioVerse系列的器件、RF放大器、时钟规复/同步，以及以太网供电/负载点调节。这些高度集成的器件组合可用于实现5G小型蜂窝、宏蜂窝、微蜂窝和大规模MIMO运用。
与FPGA、eASIC或ASIC中供应的得当的PHY和软件组合利用时，可以开拓完全的O-RU办理方案，如图14所示。此办理方案是与Intel®、Comcores和Whizz Systems等互助伙伴共同开拓的。这些办理方案不仅知足所需的RF特性，而且知足支配低本钱、高性能O-RAN平台所需的本钱和功率预算。
