摘要

O-RAN旨在推動無線社區(qū)轉(zhuǎn)型、開辟新無線設(shè)備通道和推動創(chuàng)新，以履行3GPP關(guān)于5G的承諾。1要取得成功并保持高性價比，必須提供開源的無線電設(shè)備和優(yōu)化的5G技術(shù)。本文將介紹其中一種用于設(shè)計和構(gòu)建高功效比的解決方案。

5G帶來了哪些挑戰(zhàn)？

無線電和網(wǎng)絡(luò)工程師目前使用幾種技術(shù)來實現(xiàn)這些目標(biāo)。除了將數(shù)據(jù)服務(wù)移動到網(wǎng)絡(luò)終端之外，還使用大規(guī)模MIMO和小型蜂窩技術(shù)來幫助提高容量和吞吐量。大規(guī)模MIMO技術(shù)在陣列中使用多個無線電，此舉不僅可以實現(xiàn)容量，還可以覆蓋中心位置。和它的前身宏蜂窩一樣，大規(guī)模MIMO無線電可以圍繞該位置提供相對廣泛的覆蓋范圍。但是，大規(guī)模MIMO無線電使用更高的頻率，一般是2.6 GHz及以上，這個頻率對建筑物的穿透性并不高。為了服務(wù)室內(nèi)位置和其他難以到達(dá)的室外區(qū)域，我們將使用小型蜂窩。鑒于室內(nèi)和室外位置的數(shù)量，從家庭到企業(yè)安裝，再到消費購物場所乃至競技場，小型蜂窩的使用將是5G取得成功的關(guān)鍵。由于網(wǎng)絡(luò)中需要使用數(shù)量龐大的小型蜂窩和多種部署，所以安裝和運行成本必須低廉；這是推動實現(xiàn)5G的關(guān)鍵。

可以使用哪些技術(shù)？

在過去幾年里，多種技術(shù)朝著支持5G解決方案的方向發(fā)展。首先，從基帶角度來看，摩爾定律不僅繼續(xù)降低每個柵極的硅成本，而且將更復(fù)雜的功能集成到無線電技術(shù)中?，F(xiàn)在可以將許多所需的控制算法直接集成到無線電器件中，包括數(shù)字預(yù)失真(DPD)等功能。隨著新生代無線電的問世，出現(xiàn)了許多其他的可能性。

其次，像O-RAN2這樣的行業(yè)聯(lián)盟正在整個無線行業(yè)進(jìn)行合作，以實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，不僅可以降低成本，還可以提高供應(yīng)鏈的安全性，并提供通過這些無線網(wǎng)絡(luò)盈利的新方法。具體來說，“O-RAN聯(lián)盟是由運營商建立的，旨在明確定義要求，并幫助建立供應(yīng)鏈生態(tài)系統(tǒng)來實現(xiàn)其目標(biāo)。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，O-RAN聯(lián)盟的工作奉行“開放和智慧的原則”。3因此，他們側(cè)重于定義3GPP指定的物理接口，以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，并在行業(yè)中作為可互操作的白盒解決方案使用。此外，O-RAN還定義了硬件要求，并提供了O-CU、O-DU和O-RU（分別表示開放式集中單元、開放式分配單元和開放式無線電單元）的參考設(shè)計。它們會使前傳網(wǎng)路和基帶處理器實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)一步降低解決方案成本。它們與其他集成式5G器件（例如集成式無線電）一起，可用于定義小型蜂窩的發(fā)展，并推動實施這些標(biāo)準(zhǔn)。這些機(jī)構(gòu)的工作是非常關(guān)鍵的一步。

第三，無線電技術(shù)在過去幾年中得到迅速發(fā)展。高性能無線電現(xiàn)在有多種架構(gòu)，可以滿足3GPP在38.104和相關(guān)文檔中要求的性能標(biāo)準(zhǔn)。1這些無線電高度集成，不僅包含模擬和RF元件，還包括DPD和削峰(CFR)等關(guān)鍵算法。雖然這些無線電是基于細(xì)線CMOS構(gòu)建的，但RF前端也在經(jīng)歷其他發(fā)展，其中，低成本RF工藝（SiGe、SOI、GaN、GaAs等）正轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨燃傻腖NA和高功率、高性能的PA，可以滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的要求。

最后，提供高度集成和節(jié)能的解決方案，包括以太網(wǎng)供電(PoE)、標(biāo)準(zhǔn)電源器件、監(jiān)控和保護(hù)解決方案，它們尺寸緊湊，但可以提供所需的電源。這些解決方案在無線電環(huán)境中提供非常高的效率和非常低的噪聲，且提供選項，用于保護(hù)關(guān)鍵器件，例如功率放大器。

這些技術(shù)結(jié)合在一起，實現(xiàn)了低成本、高性能的小型蜂窩平臺，可以高效部署在運營商網(wǎng)絡(luò)中，以支持小功率和大功率系統(tǒng)。

系統(tǒng)概述

圖1顯示了典型的4T4R（4個發(fā)射器和4個接收器）5G小型蜂窩的框圖?？梢圆捎枚喾N排列，包括2T2R和一系列功率等級（從24 dBm和更高）。后續(xù)討論以此圖為基礎(chǔ)，主要介紹可以輕松擴(kuò)展，適應(yīng)O-RU中的頻段和功率變化的5G技術(shù)器件

主要無線電元件

在過去10年，集成式收發(fā)器已發(fā)展成為高性能平臺。ADI RadioVerse?系列包含多種集成式收發(fā)器，它們支持高達(dá)200 MHz占用帶寬，集成了DPD等先進(jìn)功能。該系列產(chǎn)品不僅滿足5G技術(shù)器件的要求，也一如既往地支持LTE和多載波GSM RF要求。對于這些器件，雖然我們在不斷進(jìn)行新一代的開發(fā)，最新一代如圖2所示，為ADRV9029，是一種4T4R配置。還提供其他產(chǎn)品，包括帶和不帶集成式DPD，以及采用包括2T2R在內(nèi)的其他配置的器件。

每款RadioVerse器件都包含構(gòu)建完整無線電所需的一切（LNA和PA除外）。這包括發(fā)送和接收、合成器和時鐘等所有功能。還包括運行AGC和增益控制放大器所需的狀態(tài)機(jī)和VGA。雖然RadioVerse產(chǎn)品都使用高達(dá)6 GHz的寬帶，但LNA和PA并非如此，必須制定頻段或頻率范圍。因此，為了完成無線電設(shè)計，必須將合適的LNA和PA與RadioVerse IC配對。以下章節(jié)將描述5G NR小型蜂窩的接收和發(fā)送信號鏈，并對如何選擇這些器件提供一些見解。

圖2.ADRV9029收發(fā)器

接收器信號鏈?zhǔn)纠?/strong>

ADRV9029與ADRF5545A組合使用時（如圖3所示），可以輕松構(gòu)建2芯片接收器。ADRF5515引腳兼容，也可以使用。它與幾個無源元件組合，就可以構(gòu)成非常緊湊的高性能接收器設(shè)計，如圖4中的信號鏈所示。此架構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于可能達(dá)到高水平集成，如此不但可以實現(xiàn)極低的實施成本，還能使功耗降至最低。4

RadioVerse系列的架構(gòu)取消了經(jīng)典接收器設(shè)計中常使用的許多元件，包括一些RF放大、濾波和剩余大部分無線電功能的集成，包括通道濾波器（模擬和數(shù)字）和基帶放大器。這些元件通常是系統(tǒng)中最大、功率最高的器件，相比包括直接RF采樣在內(nèi)的其他架構(gòu)，此架構(gòu)可以顯著節(jié)省成本。

如圖4所示，小型蜂窩接收器系列包括環(huán)形器（適用于TDD應(yīng)用）、ADRF5545A、SAW/BAW（表面聲波/體聲波）或整體式濾波器、巴倫和收發(fā)器。鑒于ADRV9029和RadioVerse系列中的其他產(chǎn)品具有出色的噪聲性能和低輸入IP1dB，所以無需使用其他放大器或VGA。使用這個信號鏈之后，從天線到數(shù)據(jù)比特位，可以支持整個系統(tǒng)低至2 dB的噪聲系數(shù)。雖然此設(shè)計中包含一個集成式RF前端模塊(FEM)，但許多設(shè)計仍然使用分立式設(shè)計（此處不予詳述）。集成式FEM利用集成來滿足天線濾波器稍微提高的濾波器要求，但仍然提供對于許多高度集成的解決方案來說具有吸引力的設(shè)計，例如大規(guī)模MIMO和其他TDD部署。通常，使用分立式前端來實現(xiàn)FDD設(shè)計。

假設(shè)LNA之前的耗損為約0.5 dB，如果帶濾波器的耗損為1 dB，根據(jù)兩款有源器件的數(shù)據(jù)手冊規(guī)格，則整個接收器信號鏈的標(biāo)稱NF應(yīng)為約2 dB。假設(shè)與MCS-4一致的信噪比和信納比為0 dB，那么G-FR1-A1-1 5G載波(~5 MHz)的參考靈敏度為約–104.3 dBm。這足以滿足章節(jié)7.2.2中38.104的廣域傳導(dǎo)要求，且留有余量，對局域/小型蜂窩來說也綽綽有余，如表1所示，在這種情況下需要–93.7 dBm。一些低性能小型蜂窩應(yīng)用可能能夠使用單級LNA，例如GRF2093，后接一個SAW濾波器。

此外，38.104章節(jié)的7.4.1要求在低于–52 dBm（廣域）ACS阻塞下，接收器的衰減不超過6 dB。根據(jù)圖5所示的NF與輸入電平，在–52 dBm時產(chǎn)生的額外噪聲并不比在更低電平下產(chǎn)生的噪聲多。事實上，本底噪聲在Blocker信號達(dá)到–40 dBm后才會上升，非常適合需要 –44 dBm容差的局域ACS。

一般阻塞要求(7.4.2)要求對相關(guān)頻段內(nèi)的接收器施加–35 dBm（局域）的干擾，偏移為±7.5 MHz，衰減不得超過6 dB。從圖5顯示的ADI公司的信號鏈的性能來看，衰減僅為約0.9 dB。窄帶阻塞是一種功率稍低的CW類阻塞，但這也不是問題。

章節(jié)7.5.2中的帶外阻塞可能算是一種更為有趣的挑戰(zhàn)。其中，–15 dBm信號被傳輸至天線輸入。對于頻率低于200 MHz的小型蜂窩，此信號最接近頻帶邊緣的頻率為20 MHz。測試要求對1 MHz至12.75 GHz范圍進(jìn)行掃描，不包括20 MHz工作頻率以內(nèi)的頻段。這里，有幾個因素會推動信號鏈產(chǎn)生優(yōu)勢。第一，環(huán)形器具有有限帶寬，會拒絕許多帶外信號，但包含在內(nèi)的信號不會產(chǎn)生很大影響。第二，ADRF5545A之后的濾波器會提供一定程度的濾波，一般來說，對于帶外20 MHz，~20 dB抑制是合理的。第三，ADI收發(fā)器系列獨有且最有用的特性要屬內(nèi)置的帶外抑制，這是收發(fā)器結(jié)構(gòu)固有的特性。在ADI公司應(yīng)用筆記AN-1354的圖20中，固有的帶外抑制被表示

為增加的阻塞信號電平。在該應(yīng)用筆記中，圍繞通帶任一方向的頻率掃描顯示，在相同等級的衰減下，可以支持更大的信號。在該應(yīng)用筆記中可以看到，在靠近頻帶邊緣的位置，6 dB衰減可以對應(yīng)10 dB。之后，集成式濾波器對帶外信號進(jìn)行大幅衰減，這些信號不會在帶內(nèi)混疊，主要被片內(nèi)濾波和外部濾波衰減。

這些模塊將–15 dBm帶外干擾濾波到約–40 dBm至–45 dBm，直到20 MHz排斥帶。繼續(xù)向前，可能受到更高的抑制。在這個階段，圖5顯示出現(xiàn)的衰減可能非常小。

前端模塊的線性度可能是更大的問題。此時，可能得出很大的IM3產(chǎn)物。根據(jù)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，以保護(hù)其不受帶外信號影響，這通常會產(chǎn)生較大的IM產(chǎn)物。無法在這類FEM的級之間放置濾波器，所以需要采用備用選項。

為了幫助限制大型帶外阻斷器的互調(diào)的影響，典型的FEM包含二級旁旁路開關(guān)，用于降低增益和保護(hù)二級不會被驅(qū)動產(chǎn)生非線性，如圖3所示。切換LNA增益使信號鏈SNR降低1 dB，但限制這些大型阻斷器引起的交調(diào)失真有助于保護(hù)整體動態(tài)范圍，抵消噪聲性能的損失。總體而言，如此產(chǎn)生的最差NF為約5.7 dB，這仍然在參考靈敏度的局域（小型蜂窩）覆蓋范圍要求之內(nèi)。剩余的濾波器要求由天線濾波器提供，抑制可以根據(jù)接收器FEM的低增益壓縮點和IP3決定。

變送器信號鏈?zhǔn)纠?/strong>

將ADRV9029和合適的RF驅(qū)動放大器，或RFVGA組合使用時（訪問analog.com/rf了解更多選項），可以輕松構(gòu)建合適的PA、緊湊的室內(nèi)微微蜂窩、室外微微蜂窩或室外微蜂窩5。這些5G技術(shù)器件與幾個無源元件組合，就可以構(gòu)成非常緊湊且高效的變送器設(shè)計，如圖6中的信號鏈所示。此架構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于可能達(dá)到的高水平集成，通過使用所選的ADI收發(fā)器具備的集成式DPD功能，不但可以實現(xiàn)極低的實施成本，還能使功耗降至最低。

如圖6所示，小型蜂窩變送器系列由環(huán)形器、PA、濾波器和收發(fā)器組成。此外，電路的PA輸出端中包含一個耦合器，用于監(jiān)測輸出失真（也可以用于監(jiān)測天線的VSWR和正向功率），可以配合DPD使用，以改善發(fā)送功能的運行效率，以及改善雜散性能。雖然可以使用外部DPD，但選擇的ADI收發(fā)器包含完全集成的DPD，該DPD采用350 mW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(jìn)行的校正較少，所以DPD消耗的功率更低。此外，由于DPD的帶寬擴(kuò)展完全在收發(fā)器內(nèi)部進(jìn)行，觀察接收器SERDES路徑被完全取消，變送器有效載荷降低，使得集成式DPD將SERDES路徑的數(shù)量降低至外部基帶芯片的一半。FPGA中的等效DPD通常具有10倍以上的功率，對于低功耗小型蜂窩和大規(guī)模MIMO來說是無效或低效的。但是，通過將DPD集成到收發(fā)器中，非常低的功耗和低成本使得DPD能被用于低功耗小型蜂窩中，可以在不增加外部計算負(fù)擔(dān)的情況下提高效率和變送線性度。

圖7和圖8顯示ADI的DPD用于低功耗和中功耗小型蜂窩應(yīng)用的示例。圖示的激勵源是針對5個相鄰的20 MHz LTE載波，總共100 MHz。一般來說，LTE要求最低達(dá)到45 dB ACLR，大多數(shù)部署都可以超過此值。ADI運行一個連續(xù)測試實驗室，始終會檢查所有功率等級的新PA。查看功率放大器測試報告，或咨詢工廠，獲取ADI提供的可用的DPD技術(shù)的最新信息，以及最近通過測試的PA的列表。

圖8.帶和不帶DPD的典型PA頻譜，RF總和為37 dBm

它們?nèi)绾谓M合使用？

圖9顯示完整的信號鏈，其中包括一些所需的控制信號。為了提高功效，該電路包含變送和接收信號功能，以在各自的周期內(nèi)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(guān)斷電源，以節(jié)省功率。還需要使用LNA開關(guān)來更改LNA上的輸入開關(guān)，以將返回的變送功率分流至端電極，而不是分流至內(nèi)核放大器輸入。這些不同的信號可以由ASIC、FPGA或收發(fā)器生成和編配。

接收器信號鏈包括一個可以相應(yīng)改變數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的函數(shù)，以說明模擬增益降低的原因，在信號發(fā)送至低PHY，然后發(fā)送至基帶下游其他部分時保持絕對信號電平。

此處所示的應(yīng)用適用于單頻段。雖然收發(fā)器使用寬帶且覆蓋至高達(dá)6 GHz的所有頻率，但并非設(shè)計中的所有器件都是如此。LNA和PA這類器件通常使用頻段，需要根據(jù)支持的頻段進(jìn)行選擇。通常情況下，這些器件在引腳兼容選項中提供，覆蓋6 GHz以下的所有常用頻段，且易于掃描。如此，可以支持所有的常用TDD和FDD頻段，包括用于5G和提議用于O-RAN的頻段。

時鐘樹

根據(jù)配置，可以使用幾種不同的時鐘配置。如果需要精確的時間校準(zhǔn)，則需要使用2級時鐘合成。第一級是通過ASIC、FPGA或控制器連接至基帶，以準(zhǔn)確計時和校準(zhǔn)無線電數(shù)字化功能。此應(yīng)用要求通過前傳網(wǎng)路或本地GPS接收器來處理提供的精確時間協(xié)議(PTP)信息。如此確保無線電和基帶處理器知道應(yīng)對無線電幀實施處理的準(zhǔn)確時間。

AD9545系列非常適合用于準(zhǔn)確調(diào)節(jié)無線電的主時鐘的頻率、相位和時間。其優(yōu)點在于，可以配置為在無參考時鐘的情況下臨時運行，且在與TCXO（溫度補償晶體振蕩器）或OCXO（恒溫晶體振蕩器）耦合之后，且在參考時鐘出現(xiàn)故障或斷續(xù)的情況下保持精度。

對于無需準(zhǔn)確的時間校準(zhǔn)的配置，或者作為校準(zhǔn)的第二級，需要使用時鐘分配器件。分配器件的作用在于，為整個無線電生成時鐘范圍。這包括JESD、eCPRI、以太網(wǎng)、SFP所需的范圍，以及整個無線電的其他關(guān)鍵信號所需的范圍。AD9528提供14種不同速率的低抖動時鐘，包括支持JESD204B/JESD204C器件時鐘和SYSREF信號功能。

2級時鐘框圖如圖10所示。對于無需準(zhǔn)確校準(zhǔn)時間的應(yīng)用，可以去掉或旁路AD9545，僅使用AD9528。系統(tǒng)的輸入時鐘來自于基本的網(wǎng)絡(luò)定時，由以太網(wǎng)功能塊或FPGA中的基帶和網(wǎng)絡(luò)功能恢復(fù)，具體由實際架構(gòu)決定?？梢愿鶕?jù)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。

功率

功耗是由多種因素決定的。這些因素包括選擇的FPGA、采用的功能、選擇的收發(fā)器、啟用的選項、所需的時鐘樹，以及生成的RF功率。

實施O-RAN CUS和M面處理的典型中等范圍FPGA SoC，加上與IEEE 1588 v2 PTP堆棧同步，會消耗約15 W。典型的ADRV9029收發(fā)器會消耗5 W至8 W，由TDD或FDD配置，以及啟用的DFE功能的范圍決定。為此，必須增加時鐘功率、接收器功率、變送器功率，以及其他功率。表2顯示系統(tǒng)（不包括變送器鏈）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占空比下的總功耗為26 W至29 W，具體由實際采用的無線電配置決定（不包括與PA相關(guān)的功耗）。表3顯示少數(shù)幾個PA功耗示例。由于PA主要在AB類晶體管的線性范圍內(nèi)工作，所以它們的效率在20%到50%之間。在這個范圍內(nèi)，集成式DPD大有優(yōu)勢。即使對于小帶寬、低功耗PA，幾十mW的DPD功耗也會抵消PA效率的改進(jìn)。

對于低功耗小型蜂窩，增加約2.5 W額外功率會讓總功耗增加至約30 W，對于由PoE解決方案供電的無源冷卻室內(nèi)小型蜂窩非常合適。

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晶體管可以用作理想的二極管，而不是整流器，其優(yōu)點在于可以大幅提高效率。其后接LT4295，這是一個符合802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的PD器件。還可以后接合適的本地穩(wěn)壓器，以滿足之前的表中所示的要求，按照需要提供高達(dá)90+ W的功率。

除了PoE轉(zhuǎn)換器件外，還可以使用許多其他器件來支持小型蜂窩參考設(shè)計。其中包括基礎(chǔ)器件，例如ADP5054系列，該系列專用于為ADI收發(fā)器、許多其他降壓轉(zhuǎn)換器和低噪聲LDO穩(wěn)壓器供電，如圖12所示。

選項

這個無線電架構(gòu)的一大優(yōu)點是：它非常靈活，可以滿足多種市場需求。此架構(gòu)針對多種應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，包括FDD和TDD。它可以在低、中和高頻段內(nèi)保持高性能，非常適合小型蜂窩到大規(guī)模MIMO平臺?？梢栽谧兯推骱徒邮掌麟娐分羞M(jìn)行不同的權(quán)衡取舍，以優(yōu)化成本、尺寸、重量和功率。雖然本部分側(cè)重于更高的性能和集成，但可以通過選擇稍微不同的選項，做出可以改善成本的取舍。

例如，一些低功耗PA不需要使用驅(qū)動放大器，可以不要求配備。對于許多小型蜂窩應(yīng)用來說，RF功率都較低，所以可以使用簡單的TR開關(guān)來替代環(huán)形器。最后，如果只需要局域性能，可以使用簡單的單級LNA來替換雙級LNA。結(jié)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排列，在廣泛的頻率和功率選項內(nèi)，滿足多種可能。

結(jié)論

本文所述的5G技術(shù)器件適用于通信應(yīng)用，支持實現(xiàn)適合5G開發(fā)的低成本器件，尤其是實現(xiàn)O-RAN O-RU解決方案的器件。其中包括來自RadioVerse系列的器件、RF放大器、時鐘恢復(fù)/同步，以及以太網(wǎng)供電/負(fù)載點調(diào)節(jié)。這些高度集成的器件組合可用于實現(xiàn)5G小型蜂窩、宏蜂窩、微蜂窩和大規(guī)模MIMO應(yīng)用。

與FPGA、eASIC或ASIC中提供的合適的PHY和軟件組合使用時，可以開發(fā)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等合作伙伴共同開發(fā)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平臺所需的成本和功率預(yù)算。

來源 

1 ftp://ftp.3gpp.org/specs/latest/Rel-15/38_series/ 

2 O-RAN聯(lián)盟。 

3 “O-RAN： 朝向開放和智能的RAN發(fā)展?！監(jiān)-RAN聯(lián)盟，2018年10月。 

4 Brad Brannon。 “零中頻的優(yōu)勢：PCB尺寸減小50%，成本降低三分之一https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/where-zero-if-wins.html。”《模擬對話》，第50卷第3期，2016年9月。 

5 規(guī)格。 O-RAN聯(lián)盟。

作者簡介

Brad Brannon自北卡羅來納州立大學(xué)畢業(yè)至今，已在ADI公司工作37年。在ADI公司，他先后在設(shè)計、測試，應(yīng)用和系統(tǒng)工程等領(lǐng)域擔(dān)任多個職位。目前，Brad負(fù)責(zé)開發(fā)O-RAN參考設(shè)計，為這些客戶提供支持。Brad撰寫過多篇論文和應(yīng)用筆記，主題涉及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器計時、無線電設(shè)計、ADC測試等