5G基础设施开启射频芯片内部的新集成前沿

大规模多输入多输出（mMIMO）的出现为基站硬件带来了新的射频挑战，而新的无线电技术则促进了5G无线的发展。因此，已经面临日益增加的RF复杂性的5G基础设施现在要求半导体公司进行另一轮创新，以通过适应性更强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具有特定频率的多个卡，以满足无线行业对全球各种许可和未授权5G频段的要求。以爱立信为例，该公司每周创建两个电路板设计，以跟上全球所有频率计划。

那么，我们如何开发一个与频率无关且可以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，这使得网络效率至关重要。赛灵思声称其ZynqUltraScale+ ™ RF®片上系统 （SoC） 提供单芯片自适应平台，可针对多种 5G 标准进行重新配置。

直接射频采样

在传统的模拟方法中，RF信号链通过JESD204接口连接到数字前端，RF采样由分立元件执行。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瓦的功率来传输320 Gb的数据。

但是，当您使用大量发射器和接收器时，就像在mMIMO设计中一样，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，可对射频信号进行直接采样。

图 1：传统基于模拟的方法（上图）和直接射频采样方法（下图）之间的比较。

直接RF采样直接处理输入信号，无需下变频至中频（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JESD204在RF电路进入下一个芯片执行网络路由等任务时的瓶颈。

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

例如，RF数据转换器的集成为降低功耗、占位面积和物料清单（BOM）成本提供了宝贵的途径。ZynqUltraScale+ 使用 14 位模数转换器 （ADC） 支持高达 5 Giga 样本/秒的直接射频采样，使用 14 位数模转换器 （DAC） 支持高达 10 G 采样/秒的直接射频采样。®

在 Zynq UltraScale+ 中，RF ADC 的采样速率从 4 G 采样/秒提高到 5 G 采样/秒，RF DAC 的采样速率从 6 G 采样/秒提高到 10 G 采样/秒。对于时分双工（TDD）用例，RF数据模块的功耗降低了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集团甚至完全由不同的公司开发的。

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，在像mMIMO这样的现代无线电用例中，它必须改变，这些用例要求更高的集成度。

Xilinx 声称，采用 16 nm 鳍式场效应晶体管工艺制造的 Zynq UltraScale+ 是这种更高集成度的体现;它将模拟域和数字域集成到一块硅片中，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，从而将功耗和设计尺寸降低了多达 50%。例如，Zynq UltraScale+ 通过将外部 PLL 振荡器的数量从四个减少到一个来降低 BOM 成本。

图 2：集成模拟和数字部件的单芯片射频解决方案如何降低功耗、占位面积和 BOM 成本。

除了 5G 基站设计，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视系统。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不断发展，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：显示不同子系统的 Zynq UltraScale+ 射频芯片框图。

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，从而绕过了传统的模拟RF采样方式，该方式涉及分立元件的下变频。

生活笔记本：郭婷