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数字技术能否掌控4G基础设施?
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手机, 调制解调器, 网管控制器, 光传输系统, 程控交换机, ...
目前许多家庭利用无线局域网(WLAN)接入点为家里的数台计算机提供互联网功能。然而,在不久的将来,这些设备将被毫微微蜂窝所替代。这些更小的基站有望广泛用于家庭和小型商业机构,提供对第4代(4G)通信服务的接入。然而,为了支持这些更高数据速率能力,网络基础设施作为一个整体必须进一步减小放大器失真、提高功效并增加输出功率。射频和微波设计工程师已经作好了准备赢取这场战争的胜利,他们的法宝是充分利用最新的数字技术,数字技术的范围从先进的数字调制方案、复接、基带处理和前沿方法到信号处理和线性化等十分广泛。

转向数字调制方案以及由这些方案导致的产品演进是无线通信技术非常自然的发展历程。与模拟调制方案相比,数字技术可以在有限的带宽上传输更多的信息。这种数字调制解决方案非常适合在仍然有限的射频频谱上向越来越多的用户提供越来越多的服务。此外,与模拟技术相比,数字设计通常被公认为具有更多的优势,如更高的安全性,更强的抗干扰和抗衰落能力。

毫微微蜂窝是更为新的数字调制技术下的产物,这得归功于像picoChip这样的公司。该公司营销副总裁Rupert Baines表示,“我们正在研究的领域是HSPA毫微微蜂窝(通过把基站做得更小更便宜进一步提高效率)和长期演进(LTE;采用64正交幅度调制(QAM)、正交频分多址(OFDMA)和多入多出(MIMO)实现密集调制)。有趣的是,我们可以把基站做得越来越小、越来越便宜。这样可以提高信噪比(SNR),从而真正实现更高的数据速率。”

今年2月份在西班牙举行的全球移动大会上,picoChip公司演示了两款最新的picoXcell系统级芯片(SoC)器件PC313和PC323,这两种单芯片HSPA+毫微微蜂窝SoC分别可以服务8个和24个用户,经过扩展它们还可以适应更多的用户。这两种器件据称符合第三代合作伙伴项目(3GPP)版本8要求,比如可以达到42Mb/s的下行链路和11Mb/s的上行链路数据速率。这些器件还满足版本8对包含MIMO技术的要求,因而能够满足企业和“更大毫微微”应用要求的更多实际用户数量所需的高数据速率和接收密度要求。目前,PC323 SoC可以适合并发用户数量多达24个的企业、校园、农村和城市使用场合,蜂窝半径达2km。通过两个器件的级联还可以使系统支持的用户数量增加到48个。

Percello公司的一款SoC据称也可以降低HSPA+毫微微蜂窝的成本和尺寸。这种型号为PRC6100的单芯片器件最大限度地提高了数字集成度,单个封装内包含有一个高速MIPS24Kc处理器及其外设、毫微微蜂窝L1引擎(FLE)和嵌入式双倍数据速率(DDR)内存。因此,它不需要在电路板上增加任何额外的存储器或数字器件。PRC6100符合3GPP HNB规范要求,最多支持8个用户,可提供下行21.6Mb/s和上行5.76Mb/s的HSPA+数据速率。

第三代(3G)HSPA/HSPA+和4G长期演进(LTE)移动数据业务的兴起导致带宽需求突飞猛进。这种需求反过来又刺激微波回传领域中先进的调制和复用技术的开发和实现。阿尔卡特-朗讯(Alcatel-Lucent)公司无线传输产品事业部产品策略经理Paolo Volpato指出,“如今业界已经成功地使用一个无线电单元实现了超过1Gb/s的容量。实现这种突破性的特殊技术包括高调制方案(高达512QAM)的应用、自适应代码调制(ACM)的开发以及针对频率复用的先进交叉极性抵消系统的使用。”

他继续指出,“例如,ACM可以更高效地处理无线电链路中的实时动态容量变化(由于衰落或可变天气条件引起的变化)。为了应对这些变化,调制方式会随之变化:确保高优先级服务始终比尽力而为的流量更优先地提供。然而,应用ACM也会引起挑战:在上行链路的无线电方向会发生拥塞,这是由于管理来自不同接入源的新兴业务的当代节点式混合微波设备的局限性引起的。”

Volpato解释说,这些混合微波设备同一上行链路无线电信道的两个固定部分处理时分复用(TDM)和数据业务。TDM业务经常得到固定大小的带宽,并加以静态保留。基于这种情况,自适应调制技术只能应用于当前业务环境中的数据部分。这种情况源自TDM服务使用固定时隙、即便其中一些时隙空闲也要传输这样的事实。当拥塞发生时,不管相对优先级如何,所有数据业务都会受到影响(包括互联网协议语音(VoIP)在内)。

最新代微波数据包无线电设备正在努力克服这种限制,这些设备将所有类型的业务都当作可以用单个以太网交换机发送的数据包进行处理。它们在无线电方向上也采用统计复用技术,以便更好地利用信道容量。例如,阿尔卡特-朗讯公司的9500微波数据包无线电设备借助自适应调制技术支持在延时和抖动方面独立于网络负荷的确定性行为。服务作为优先级的函数进行处理。例如,固有的TDM语音被转换为数据包,并与VoIP结合在一起,以便微波数据包无线电设备仅需处理单个语音服务。

这些系统解决方案的基础在于同样依赖于数据技术的元件设计的发展。例如,为了回答减小放大器失真、提高功效和增加输出功率的问题,Scintera公司最近与Richardson Electronics公司合作向市场推出SC1887功率放大器(PA)(图1)。这种功率放大器据称无需访问同相/正交(I/Q)基带信号就能提供迫切需要的线性来改善效果。SC1887自适应射频功放线性化电路(RFPAL)据称可以提供高达26dB的相邻通道泄漏比(ACLR)。这种解决方案不需要使用模数转换器(ADC)或数模转换器(DAC)。借助Scintera公司的射频功放线性化电路,设计工程师可以在射频域中完成复杂的信号处理。这种解决方案可以应用于种类广泛的各种信号,包括2G、3G、4G和其它调制类型,因为其模拟信号处理引擎能够线性化高效率的功放拓扑。

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图1:这种系统级芯片解决方案可以提供射频功率放大器预矫正所需的所有功能

据Scintera公司销售与营销副总裁Kris Rauch表示,“这款IC通过集成有先进模拟电路的片上微控制器实现了受数字控制的可编程模拟信号处理器。这种解决方案可以利用软件重新配置,从而支持广泛的调制类型和所有工作条件下的信号带宽。”

Richardson Electronics公司射频/微波产品部副总裁Chris Marshall表示,“Scintera的模拟预矫正方法吸引了许多人的关注,因为这种方法很容易实现。作为一种射频至射频解决方案,它可以应用于不能访问基带信号的功放设计。虽然高达26dB的潜在ACLR改进没有数字预矫正(DPD)设计那么突出,但最小工程成本和相对较低的单元价格对较小规模的生产运转以及中继器和其它低功耗设计来说极具吸引力,因为在这些场合DPD开销变得非常大,其相对较低的操作成本无法抵消价格的显著上升。”

诸如DPD和振幅因子减少等先进数字算法在线性化功放和改进发射器效率(从不到10%提高到40%以上)方面变得越来越流行,亚诺德半导体公司(ADI)通信基础设施区域小组区域应用工程师Gina Colangelo表示。她强调指出,DPD要求使用带高带宽ADC的观察接收器实现耦合式功放输出的下变频。先将数字版本的发射波形与接收到的波形进行比较,然后由自适应算法计算/更新全套系数来预加载下一个发射波形。随着自适应算法的收敛,功放得到线性化,输出失真得到显著减小。与前向反馈线性化等其它模拟线性化方法相比,速度的提升和采用更精细的走线工艺使得DPD对多天线发射系统来说显得更具可扩展性。

如上所述,很高速度的DAC在今天的无线基础设施中也扮演着重要的角色,因为它们是主要的信号发生器。Colangelo指出,“这些DAC正在执行原本由包括基带处理器在内的各种额外电路元件完成的许多功能。另外,数据接口越来越多的使用低压差分信号(LVDS)可以使数据速率高达1200Msamples/s甚至更高,同时保持较低的功耗和电源电压。DAC的高输入数据速率有助于增加发射路径的输入带宽,允许更高阶的DPD算法或更宽的校正带宽。LVDS还具有辐射低的特性,可以提供更好的抗噪声性能和时序性能。”

最新的信号处理DAC,如ADI的AD9122 TxDAC+,可以在复杂的中频(IF)直接转换架构中工作。这些DAC提供完全调制的中频I和Q信号,这些信号可以通过模拟正交调制器和功放直接馈入天线,不需要额外的信号调制。

通过利用数字超导技术,Hypres公司已经能够开发出在采样速度、分辨率和带宽方面超过目前ADC产品的ADC器件(图)。当在射频或微波收发器中使用时,这种数字超导技术允许非常宽带的射频信号或微波信号直接在天线之后被数字化。Hypres公司首席执行官Richard Hitt指出,这种技术不需要使用下变频器或多个ADC、滤波器和放大器,“在信号链顶端(接近天线)如此精确快速地数字化这么宽频谱的信号建立起了通达真正全数字系统的路径,数字基带现在有了真正数字的配套前端。对于射频和微波工程师来说,不再需要设计工作区来帮助提升或调整在通往数字基带处理器的流行模拟信号链前端中质量受到损伤的信号。”

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当在射频或微波收发器中实现时,数字超导技术技术允许在天线后对宽带射频或微波信号直接数字化

正如上述几个为数不多的例子表明,丰富的前沿数据技术正在为下一代基础设施设计师提供看似永无穷尽的功能选项。就像一般的前沿新兴技术一样,其中一些技术已经在互相竞争。另外,由于费用、可靠性、稳健性和性能问题,有许多技术可能还不是解决现实问题的实用解决方案。不过,不管哪种解决方案能赢得LTE的青睐,有件事是确定的:无线基础设施的未来将越来越多的依赖于数字技术。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2013-4-25)
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