如何采用DAC简化LTE MIMO和5G无线设计

使用多输入多输出（MIMO）发射和接收天线方案的空间分集确实在IEEE 802.11a（5 GHz Wi-Fi）中起飞，但由于它现在对LTE和5G无线变得越来越重要，设计师需要仔细研究它的工作原理，以及数模转换器（DAC）在实现最佳设计中的关键作用。

无线通信链路设计人员在实现项目的多重目标时通常面临挑战。首先，它们必须达到最小误码率（BER）。与此同时，他们必须努力降低功耗并节省带宽。当然，这些目标有些矛盾：提高BER的最简单方法是提高功率，因为这样做会增加信噪比（SNR）;此外，使用更多带宽通常是提高BER的一种方法。

在系统级，提高性能和实现这些目标的目标通常始于压缩比特流的复杂数据编码方案。添加错误检测和纠正。但是，一旦完成数据操作，满足链路目标的负担就落在发送侧放大器和天线以及接收侧天线和前端上。

为了提高性能，工程师可以利用三种多样性技术中的一种或多种：

时间分集：用最简单的术语来说，这意味着重复多次消息，包括交错消息，如图1所示。

图1：在时间分集中，消息重复一次或多次以克服信道中的噪声，作为冗余的形式;它经常与其他消息交错。 （图片由Saad Foroughi Farsani，Azad University of Najafabad提供，来自Slideshare.net）

频率分集：使用更多带宽或信道，包括跳频和扩频技术，可以克服噪声部分频谱;参见图2.

图2：在频率分集中，消息在两个或多个通道上同时或连续传输，以避免频谱中的噪音。 （图片由Telekomunikasi Dasar提供，来自Slideshare.net）

空间分集：使用两个或更多天线，在发送侧或接收侧，或两者，以提供更多的物理路径用于无线链路;见图3.

图3：在空间分集中，消息在两条或更多条物理路径上传输，以提高性能与本地噪声，以及避免物理障碍。 （图片由Telekomunikasi Dasar提供，来自Slideshare.net）

虽然前两种技术已被广泛使用多年，但由于技术原因，空间多样性滞后。然而，最近，它已经引起了相当多的关注：它已经被LTE设备使用，并且是无线手机和网状网络的5G无线标准MIMO（多输入/多输出）空间分集的一部分;参见图4.

图4：在基本MIMO系统中，在数据链路的发送端和接收端都使用多个天线;这里显示每端有两个天线。 （图片由Telecomhall.com提供）

请注意，MIMO拓扑不必是对称的，并按发射和接收天线的数量进行分类：3×3 MIMO各有三个，而a 3×2版本有三个发射天线和两个接收天线。

一个命名说明：它可能有点违反直觉，但MIMO中的“输出”术语并不是指发射机输出;相反，它指的是从接收器前端到信号链的输出，因此它是链路的输出。类似地，“输入”指的是发射机PA和无线电链路的输入，而不是接收机的输入。

MIMO基础

MIMO是一种提高链路性能的技术（两点之间的SNR改善，功率要求降低）。使用MIMO和空间分集提供了几个优点：

通过控制发送到每个天线或由每个天线接收的信号的相对信号定时（相移），链路可以产生静态波束形成甚至是动态的波束转向。 （相移使用多个波前之间的相长干涉和相消干涉的原理来将能量引导到所需方向。）这种波束控制允许发射器聚焦在期望的接收器上（通过发射器波束控制）或接收器聚焦在期望的接收器上（通过接收器）因此，潜在地最小化干扰，噪声源和物理障碍的影响。

即使不考虑干扰，波束成形也允许发射机瞄准接收机（反之亦然），因此使用较少发射功率，同时仍然为预期的接收器提供足够的功率;它可以减轻链路多路径的负面影响。

MIMO还可以提高其他信道和链路的整体系统性能，因为它可以减少不需要的区域中不必要的射频能量。

如果MIMO是一个好主意，为什么不经常使用它？基本的分集天线布置已经用于消费产品，例如无线Wi-Fi路由器，以提高性能并最小化RF死点;但移动应用还需要考虑波长尺寸，电路复杂性，处理要求和成本等因素。

例如，为了有效，多个天线需要间隔至少四分之一波长（在1GHz，波长为30cm，因此λ/4约为7.5cm）。因此，在较低频率下，MIMO仅适用于固定（静止）情况。然而，使用2.4 GHz，5.4 GHz及更高频段（5G进入数十GHz）的频段使其适用于智能手机和智能设备（如网状网络节点）等便携式设备，因为λ/4会降低。

此外，MIMO需要更多电路。在发送方面，它需要额外的PA，耦合器和天线;在接收方面，它还需要额外的天线，前端耦合器和低噪声放大器（LNA），尽管有些MIMO设计使用单个LNA，在天线之间切换。

第三个因素是与非MIMO相比，MIMO在发射机处需要更多的处理能力来管理多个波束和天线，并且在接收机处需要更多的处理能力来理解接收信号的混杂。这种功率转化为更高的功耗。

尽管存在这些因素，但值得注意的是MIMO的变体已成功应用于非5G/非网状应用，如长距离大气无线电链路。它也是相控阵雷达的基础，数百个天线经过精心的相位控制，以电子方式控制雷达。在这种情况下，发射机天线和接收机天线是相同的物理组件，并通过发射/接收开关连接到PA和LNA。

MIMO可以简化

MIMO不必是对称的，具有相同数量的发射和接收天线。一种称为SIMO的专用变体 - 单输入，多输出 - 使用多个接收器天线，但发射器上只有一个天线;参见图5.这可用于预期接收器由于其位置或环境RFI引起的接收问题。

图5：减少 - MIMO系统的复杂性变体使用发射机处的单个天线和接收机处的多个天线（SIMO）;或者发射机上有多个天线，接收机上有一个天线（MISO）。 （来源：维基百科）

由于MIMO固有的复杂性，一些应用程序选择使用另一种称为MISO（多输入，单输出）的简化版本。该分集拓扑仅在发射器处具有多个天线，但在接收器处不具有多个天线。这样做似乎并不比SIMO简单，但事实并非如此。 MISO实际上减少了MIMO拓扑的电路和处理负担，远远超过简单的“一半”，并且远不如SIMO复杂。

为何与众不同？这是由于传输信号与接收信号的固有特性。从信号理论的基本原理以及实际实践中，我们知道传输给定信号比接收信号更容易。原因在于传输是一个很大程度上是确定性的过程，在已知且相当温和的环境中具有已知信号，噪声和失真问题最小。

相反，接收是一个困难的过程。接收器面临许多挑战，这些挑战与在未知甚至恶劣的RF环境中捕获和理解大部分未知信号有关。接收信号有许多可能类型的损伤：信道噪声，抖动，失真，衰落，多径，载波调谐移位和甚至基于多普勒的漂移，当然还有低信号电平和差的信噪比。

MISO版本的MIMO识别出实现难度的这种差异，因此强调更复杂的发射机，但保留了单天线接收机。这为电路和信号处理中最小的额外投资提供了最大的性能提升。同时，如果需要，可以将MISO方法升级到完整的MIMO，而无需重新设计发射机，因此可以将其视为从标准单天线设计到完整MIMO方法的一个步骤。

正确的组件使MISO和MIMO变得更容易

由于MISO是MIMO的一个有吸引力的子集，并且还可以用作全功能MIMO拓扑的一部分，因此供应商推出了模拟前端（ AFE）可以帮助实现它的IC。

构建MISO系统时的许多问题之一是保持时序对齐并消除各个通道之间的相移（时序变化对应于相移和相移产生）光束转向模式的变化）。因此，设计系统以确保处理器与多个发送DAC之间的时间延迟一致且相等是至关重要的。

极端情况下，在高性能相控阵雷达系统中，甚至是分钟由于互连RF电缆的不同温度系数，信道之间的相移会严重降低性能。如果DAC等关键组件具有帮助满足它的功能，则有助于此时序要求。

MISO/MIMO友好型IC的一个示例是16-/14-/11-bit的LTC2000A系列， 2.5 Gsamples/s DAC（图6）。这些DAC的单（1.25 Gsample/s模式）或双（2.5 Gsample/s模式）同步LVDS接口使用625 MHz DDR数据时钟支持高达1.25 Gbits/s的数据速率。

图6：凌力尔特公司的LTC2000A系列16/14位/11位，2.5 Gsample/s DAC非常适合MIMO和MISO设计，因为它包含一个用于校正时序对齐不匹配的寄存器在多个发送信道之间。 （图片由凌力尔特公司提供）

首先，这些DAC具有出色的光谱纯度，是此类设计的“必备”。器件具有以下特性：

80 dBc SFDR（无杂散动态范围），输出频率为70 MHz;

SFDR超过68 dBc，从DC到1000 MHz;

>从DC到1000 MHz的78 dBc双音IMD（互调失真）;

对于65 MHz输出，在1 MHz偏移处小于-165 dBc/Hz附加相位噪声

该系列中的所有DAC都包含一个内部寄存器，允许系统通过DAC调整（微调）数据延迟。对于LTC2000A，最大时序失配调整是采样时钟周期的0.4个周期，在多DAC设计中需要（图7）。

即使设计名义上符合匹配通道的目标 - 在通道时间到皮秒之内，发射路径中的每个DAC都可以进行微调，以消除由于热漂移等因素造成的任何残余失配或变化。

图7：LTC2000A系列专为MIMO和相关系统而设计，其中单个FPGA驱动多个DAC及其发送通道。 （图片由凌力尔特公司提供）

鉴于GHz速率MISO或MIMO设计的复杂性，评估或演示板非常重要。 LTC的DC2191A演示电路支持LTC2000 DAC，DAC驱动其LT5579上变频混频器，请参见图8. DAC IF（中频）输出电路针对DC至500 MHz范围内的模拟频率进行了优化，同时电路开启LO（本地振荡器）输入针对1000 MHz至4300 MHz的频率进行了优化，RF输出电路针对2200 MHz至2600 MHz的频率进行了优化。

图8：DC2191A演示电路用于演示LTC2000A DAC，并与Altera Stratix IV演示板配合使用;演示电路还包括一个LT5579上变频混频器，用于产生输出RF信号。 （图片由凌力尔特公司提供）

Altera Stratix IV演示板用于向DC2191提供数据，这对板通过USB端口连接到PC。与LTC提供的演示软件一起，演示设置可用于创建复杂波形，然后将它们加载到FPGA中，以使用PC作为控制器来测试DC2191和DAC（图9）。

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图9：随DC2191A演示提供的软件允许用户通过USB连接的PC创建复杂的波形，然后将它们加载到FPGA中以测试DC2191和LTC2000 DAC。 （图片由凌力尔特提供）

结论

提供更高的数据速率和可靠的传输，并且在更高频率下这样做是一项日益严峻的挑战。为了取得成功，设计人员采用时间，频率和空间分集技术。后一种拓扑结构（通常称为MIMO）用于多输入，多输出，已用于大型固定安装以及5 GHz Wi-Fi，但现在作为移动LTE和5G手机的一部分受到越来越多的关注作为网状网络设计。

在典型的实现中，在发送器或接收器处或在数据链路的两端使用多个天线。虽然MIMO和更简单的天线分集变体提供了改进的SNR，BER和动态波束成形，但MIMO系统的设计需要密切关注沿多个发送通道的信号时序，因此它有助于识别具有架构和内部功能优化的专用DAC用于MIMO发射器。