5G基础设施在射频芯片内部开辟了新的集成前沿

5G基础设施现在需要半导体公司进行新一轮创新，通过更具适应性的解决方案来提高网络效率。

大规模多输入多输出（mMIMO）的出现为基站硬件带来了新的RF挑战，而新的无线电技术则促进了通往5G无线的道路。因此，已经面临日益增加的RF复杂性的5G基础设施现在需要半导体公司进行另一轮创新，以通过更具适应性的解决方案来提高网络效率。

到目前为止，通信设备制造商势必会创建多个具有特定频率的卡，以满足无线行业对全球各种许可和未许可5G频段的要求。以爱立信为例，它每周创建两个电路板设计，以跟上全球所有的频率计划。

那么，我们如何开发一个与频率无关且可在多个地区使用的单一平台呢？特别是对于mMIMO无线电，它在面板中使用大量天线，这使得网络效率势在必行。赛灵思声称其超大规模+ ™ 射频®片上系统（SoC）提供了一个单芯片自适应平台，该平台可以针对多种5G标准进行重新配置。

直接射频采样

在传统的模拟方法中，在通过分立元件进行RF采样后，RF信号链通过JESD204接口连接到数字前端。它还涉及每个芯片一个或两个转换器。在这里，从一个芯片到另一个芯片的数据转换可能需要高达8瓦的功率才能传输320 Gb的数据。

但是，当您使用大量发射器和接收器时，例如在mMIMO设计中，您必须非常注意功耗。因此，Zynq UltraScale+提供了一个单芯片自适应无线电平台，可以对射频信号进行直接采样。

图 1：传统的基于模拟的方法（上图）和直接 RF 采样方法（下图）之间的比较。图片：赛灵思

直接RF采样直接处理输入信号，无需下变频到中频（IF）信号，并应用DSP技术在数字域中执行信号调理等任务。这消除了当RF电路进入下一个芯片执行网络路由等任务时的JESD204瓶颈。

这反过来又简化了模数信号链，并允许处理更多的数据，这是5G系统中mMIMO基站的一个关键优势。该单芯片自适应平台集成了基带、无线电 IP、MAC、DSP 信令和滤波以及数据转换器、通用数字处理器和 DDR4 内存子系统。

例如，RF数据转换器的集成为降低功耗、占地面积和物料清单（BOM）成本提供了宝贵的场所。Zynq UltraScale+ 支持使用 14 位模数转换器 （ADC） 对高达 5 千兆次采样/秒的直接射频采样，使用 14 位数模转换器 （DAC） 支持 10 G 采样/秒。®

在 Zynq 超标度+ 中，射频 ADC 的采样速率从 4 G 样本/秒提高到 5 G 样本/秒，射频 DAC 的采样率从 6 G 样本/秒提高到 10 G 样本/秒。这可将时分双工 （TDD） 用例中 RF 数据块的功耗降低 20%。在这里，值得一提的是，大多数5G无线电都是基于TDD技术的。

FPGA 如何助力射频设计

以FPGA为中心的设计通常需要数据转换器，但到目前为止，只有低性能转换器被集成到FPGA中，用于系统监控等应用。这主要是因为模拟和数字处理器是由半导体公司的不同团队开发的，甚至完全由不同的公司开发。

数字团队致力于节点迁移以缩小节点大小，而模拟工程师则使用稳定的旧处理节点。但是，它必须在现代无线电用例中进行更改，例如mMIMO，这些用例要求更高的集成级别。

Xilinx 声称，采用 16 nm 鳍状场效应晶体管工艺制造的 Zynq 超大规模 + 是这种更高集成度的体现。它将模拟域和数字域都放入单个硅片中，以通过可编程逻辑优化信号流。

硬件和软件可编程引擎的集成消除了分立元件，使功耗和设计尺寸降低了50%。例如，Zynq 超大规模 + 通过将外部 PLL 振荡器的数量从 4 个减少到 1 个，从而降低了 BOM 成本。

图 2：集成模拟和数字器件的单芯片射频解决方案如何降低功耗、基底面和 BOM 成本。图片：赛灵思

除了 5G 基站设计外，Xilinx 还将这种多频段无线电芯片用于其他射频应用，如相控阵雷达网络和天气监控系统。然后，还有一些用例，例如用于电缆接入的远程PHY节点，汽车中的激光雷达系统，测试和测量以及卫星通信。

适应5G世界

5G标准将在未来几年内发展，这将继续改变系统要求。因此，与通信设备制造商一直在使用ASIC的3G和4G设计领域不同，灵活的逻辑方法更有可能经受住增量5G部署。

当今5G设计环境中的ASIC解决方案很可能在一年内过时。另一方面，连接模拟域和数字域的可编程解决方案（图3）可以针对各种5G安装进行重新配置。

图 3：Zynq 超大规模+ 射频芯片的框图显示了不同的子系统。图片：赛灵思

本文介绍了一种高度集成的RF芯片的概况，该芯片在数字域内执行下变频过程，从而绕过了传统的RF采样模拟方式，该方式涉及使用分立元件进行下变频。

审核编辑：郭婷