使用60GHz回程鏈路提升行動通訊容量

作者 : John Kilpatrick,ADI系統架構師

基於Xilinx Zynq SoC和ADI V頻段晶片組的完整60GHz雙向資料通訊方案能夠提供小型行動通訊回程市場所需的性能和彈性。

全球行動通訊網路上對數據的需求不斷成長,迫使營運商設法在2030年前將容量提升5000倍。為了實現這一目標,需要將通道性能提升5倍、分配頻譜提高20倍、行動通訊基地台數量增加50倍。

許多此類新型行動通訊將佈置在室內,因為這裡是大部份流量的來源,而光纖則是將流量回傳到網路的優選。但還有許多室外場所無法連接光纖或光纖連接成本過高,對於這種情況而言,無線回程是最可行的替代方案。

現可使用免授權的頻譜5GHz,而且無需提供視線(Line of Sign;LOS)路徑。但是其頻寬有限,而且由於大流量和寬頻天線,無疑會受到該頻譜其他用戶的干擾。

對於滿足容量需求所需的數以千計的室外行動通訊,60GHz通訊鏈路正成為提供此類回程鏈路的有力競爭者。該頻譜也屬於免執照頻段,但與6GHz以下的頻率不同,其包含高達9GHz的可用頻寬。此外,高頻允許窄而集中的天線場型,可在一定程度上提高抗干擾性,但其需要LOS路徑。

基於FPGA和基於SoC的數據機越來越多地用於各種無線回程解決方案,這是因為使用此種數據機的平台模組化且可客製,從而能夠降低OEM的總成本。對於這些連結的無線電部份,收發器已整合在矽基IC中,並且封裝為低成本的表面貼裝封裝。

可使用商用元件建構完整的60GHz雙向數據通訊鏈路,如1中的解決方案所示。該設計由Xilinx和Hittite微波公司(現為ADI的旗下公司)研發,包括Xilinx數據機和ADI毫米波(mmWave)無線電。該鏈路滿足小型行動通訊回程市場的性能和彈性要求。

Figure 1

1:完整雙向數據通訊鏈路的高階方塊圖。

1所示,創建鏈路需要兩個節點。每個節點都包含一個發送器(具有調變器)及其關聯的類比發送器鏈、一個接收器(具有解調器)及其關聯的類比接收器鏈。

調變解調卡與類比和離散式元件整合。其包含以數位方式建置的振盪器,能夠確保頻率合成的精度,並且所有數位功能均在FPGA或 SoC上執行。這種單載波數據機核心可支援從QPSK到256QAM的調變,通道頻寬高達500MHz,能夠實現高達3.5Gbps的數據速率。該數據機還可同時支援頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)傳輸方式。穩健可靠的數據機設計方法能降低本振的相位雜訊影響。為改善性能和鏈路預算,內建強大的低密度同位(LDPC)編碼。

毫米波數據機

毫米波數據機可協助基礎設施供應商為其無線回程網路開發彈性且成本最佳化的可客製鏈路。其具有完全自我調整、低功耗、小尺寸特性,可用於部署室內和全室外點對點鏈路以及點對多點微波鏈路。借助該解決方案,營運商能夠建構可擴展、現場可升級的系統。

2詳細說明在基於SoC的解決方案中建置的數位數據機。平台的可擴展處理系統(PS)位於可編程邏輯(PL)旁,包含雙ARM Cortex-A9核心,後者具有整合式記憶體控制器和供週邊使用的多標準I/O。

Figure 2

2:用於無線數據機應用的所有可編程SoC

該SoC平台用於執行各項資料和控制功能並實現硬體加速。2所示的是整合式毫米波數據機以及配套的PHY、控制器、系統介面和封包處理器。但是,使用者可以根據所需的架構插入、更新或移除不同的模組。例如,使用者可以選擇建置XPIC組合器,如此可以將該數據機與另一個數據機以交叉極化模式配合使用。解決方案在PL中進行,使用SERDES和I/O作為各個資料路徑的介面,比如數據機與封包處理器之間的介面、封包處理器和記憶體之間的介面、數據機彼此之間的介面或DAC/ADC的介面。

該數據機IP的一些其他重要特性包括:透過自調適編碼和調變(ACM)功能保持鏈路連續工作的自動無損和無誤狀態切換、可改善RF功率放大器效率和線性的自調適數位閉迴路預校正(DPD)、能夠保持時脈同步的同步乙太網路(SyncE)以及Reed-Solomon或LDPC前向糾錯(FEC)。FEC根據電路要求選擇。LDPC FEC是無線回程應用的默認選擇,而對於去程等低延遲應用而言,Reed-Solomon FEC則更加適合。

LDPC建置方案經高度最佳化,並利用FPGA平行性協助編碼器和解碼器完成運算。可明顯改善SNR。您可透過改變LDPC核心的反覆運算數量來應用不同層級的平行性,進而最佳化解碼器的尺寸和功耗。此外,您還可根據通道頻寬和輸送量約束條件為設計建模。

該數據機解決方案還配備用於顯示和偵錯的圖形化使用者介面(GUI),並可提供通道頻寬選擇、調變方式選擇等進階功能以及硬體暫存器設定等低階功能。為讓1所示的解決方案實現3.5Gbps的輸送量,該數據機IP需要以440MHz的時脈速率運行。其將五個十億位元收發器(GT)用於連接介面,以支援ADC和DAC,並把另外一些GT用於10 GbE有效載荷或CPRI介面。

毫米波收發器晶片組

ADI針對小型行動通訊回程應用,最佳化其於該設計中使用的第二代矽鍺(SiGe) 60GHz晶片組。發送器晶片為一款完整的類比基頻轉毫米波上變頻器。採用以250MHz步進覆蓋57GHz到66GHz的改善型低相位雜訊頻率合成器,可支援至少64QAM的調變。輸出功率已經提升到大約16dBm線性功率,而整合式功率檢測器則可監測輸出功率,使其不超過法定限值。

該發送器晶片可提供對IF和RF增益的類比或數位控制。在使用更高階調變的情況下,有時需要類比增益控制,因為對幅度調變而言,離散增益改變可能會出錯,導致出現誤碼。內建SPI介面可為數位增益控制提供支援。

對於在窄通道中需要更高階調變的應用而言,可以向發送器中加入擁有更低相位雜訊的外部PLL/VCO,並使內部頻率合成器旁路。

3顯示最高支援1.8GHz頻寬的發送器晶片的方塊圖。MSK調變器選項可實現速率高達1.8Gbps的低成本資料傳送,而無需使用高成本、高功耗的DAC。

Figure 3

3HMC6300 60GHz發送器IC方塊圖。

接收器晶片是該元件的輔助元件,同樣經過最佳化,能夠滿足小型行動通訊回程的嚴苛要求。該接收器的特點是能夠將輸入P1dB大幅提升到−20dBm,並將IIP3提升到−9dBm,從而處理短程鏈路,短程鏈路中碟形天線具有高增益,會在接收器輸入端產生高訊號位準。

其他主要特性包括:雜訊係數在最大增益設定下低至6dB;可調低通和高通基頻濾波器;合成器與發送器晶片中的新型合成器相同,能夠在57GHz到66GHz頻段支援64QAM調變;對IF和RF增益的類比或數位控制。

4顯示接收器晶片的方塊圖。請注意,該接收器還包含一個AM檢測器,用以解調開關鍵控(OOK)等幅度調變。此外,還可使用調頻鑑別器解調簡單的FM或MSK調變。這就是用於為QPSK恢復正交基頻輸出和解調更複雜的QAM調變的IQ解調器之外的附加功能。

Figure 4

 4HMC6301 60GHz接收器IC架構圖。

發送器和接收器均採用4mm × 6mm BGA型晶圓級封裝。借助這些表面黏著,可實現回程應用無線電板的低成本製造。

5展示毫米波數據機和無線電系統的方塊圖。除了FPGA、數據機軟體和毫米波晶片組外,該設計還包含一些其他元件。其中包括雙通道12位元1-GSPS ADC;最高2.8-GSPS的四通道16位元TxDAC;以及超低抖動時脈合成器(支援ADC和DAC IC上使用的JESD204B串列數據介面)。

Figure 5

5:使用XilinxADI IC的示例參考設計。

展示平台

6所示的平台由Xilinx和ADI共同創建,該建置方案包括Xilinx開發板上的FPGA數據機、工業標準FMC板(包含ADC、DAC和時脈晶片),以及兩塊無線電模組評估板。

Figure 6

6XilinxADI的展示平台。

該展示平台包括用於數據機控制和視覺顯示功能的筆記型電腦,以及用於複製典型毫米波鏈路路徑損耗的可變RF衰減器。開發板上的FPGA可執行WBM256數據機韌體IP。開發板上的工業標準FMC夾層接外掛程式可用於連接基頻板和毫米波無線電板。

毫米波模組可卡合在基頻板上。模組具備用於60GHz介面的MMPX連接器以及用於可選用外部本振的SMA連接器。

該平台包含在頻分雙工連接的每個方向對應的250MHz通道中展示高達1.1Gbps點對點回程連接所需的全部硬體和軟體。

模組化和可客製

由於FPGA高度模組化且可客製,因而能夠降低為無線回程應用建構平台的成本。為小型行動通訊回程市場的毫米波數據機解決方案選擇商用元件時,請選擇高能效的FPGA/SoC和高性能的寬頻IP核心。高速也是為寬頻通訊和開關功能選擇GT時應考慮的一個因素。此解決方案擴展能力卓越,支援多種產品種類,包括以每秒數百megabit 運行的低階小型行動通訊回程產品,以及同一硬體平台上的3.5Gpbs回程產品。

至於無線電部份,收發器IC封裝在表面黏著中,降低了製造成本。市場上的元件可滿足小型行動通訊部署無線回程需求的功耗、尺寸、彈性和功能要求。或者,您可採購專為完善無線回程鏈路配備的高性能數據轉換器和時脈管理IC。

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