【導(dǎo)讀】4G技術(shù)帶領(lǐng)人們走向了更快速的生活，但是在這過程中，隨著時(shí)代的演變，總是有一些東西要消失，也總有一些東西會(huì)應(yīng)運(yùn)而生。那么，4G時(shí)代，通信是由什么來掌握呢?我們現(xiàn)有的數(shù)字技術(shù)，能否掌控4G的基礎(chǔ)設(shè)施？讓我們一起來討論吧！
目前許多家庭利用無線局域網(wǎng)(WLAN)接入點(diǎn)為家里的數(shù)臺(tái)計(jì)算機(jī)提供互聯(lián)網(wǎng)功能。然而，在不久的將來，這些設(shè)備將被毫微微蜂窩所替代。這些更小的基站有望廣泛用于家庭和小型商業(yè)機(jī)構(gòu)，提供對(duì)第4代(4G)通信服務(wù)的接入。然而，為了支持這些更高數(shù)據(jù)速率能力，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施作為一個(gè)整體必須進(jìn)一步減小放大器失真、提高功效并增加輸出功率。射頻和微波設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)作好了準(zhǔn)備贏取這場戰(zhàn)爭的勝利，他們的法寶是充分利用最新的數(shù)字技術(shù)，數(shù)字技術(shù)的范圍從先進(jìn)的數(shù)字調(diào)制方案、復(fù)接、基帶處理和前沿方法到信號(hào)處理和線性化等十分廣泛。
轉(zhuǎn)向數(shù)字調(diào)制方案以及由這些方案導(dǎo)致的產(chǎn)品演進(jìn)是無線通信技術(shù)非常自然的發(fā)展歷程。與模擬調(diào)制方案相比，數(shù)字技術(shù)可以在有限的帶寬上傳輸更多的信息。這種數(shù)字調(diào)制解決方案非常適合在仍然有限的射頻頻譜上向越來越多的用戶提供越來越多的服務(wù)。此外，與模擬技術(shù)相比，數(shù)字設(shè)計(jì)通常被公認(rèn)為具有更多的優(yōu)勢，如更高的安全性，更強(qiáng)的抗干擾和抗衰落能力。
毫微微蜂窩是更為新的數(shù)字調(diào)制技術(shù)下的產(chǎn)物，這得歸功于像picoChip這樣的公司。該公司營銷副總裁Rupert Baines表示，“我們正在研究的領(lǐng)域是HSPA毫微微蜂窩(通過把基站做得更小更便宜進(jìn)一步提高效率)和長期演進(jìn)(LTE；采用64正交幅度調(diào)制(QAM)、正交頻分多址(OFDMA)和多入多出(MIMO)實(shí)現(xiàn)密集調(diào)制)。有趣的是，我們可以把基站做得越來越小、越來越便宜。這樣可以提高信噪比(SNR)，從而真正實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。”
今年2月份在西班牙舉行的全球移動(dòng)大會(huì)上，picoChip公司演示了兩款最新的picoXcell系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)器件PC313和PC323，這兩種單芯片HSPA+毫微微蜂窩SoC分別可以服務(wù)8個(gè)和24個(gè)用戶，經(jīng)過擴(kuò)展它們還可以適應(yīng)更多的用戶。這兩種器件據(jù)稱符合第三代合作伙伴項(xiàng)目(3GPP)版本8要求，比如可以達(dá)到42Mb/s的下行鏈路和11Mb/s的上行鏈路數(shù)據(jù)速率。這些器件還滿足版本8對(duì)包含MIMO技術(shù)的要求，因而能夠滿足企業(yè)和“更大毫微微”應(yīng)用要求的更多實(shí)際用戶數(shù)量所需的高數(shù)據(jù)速率和接收密度要求。目前，PC323 SoC可以適合并發(fā)用戶數(shù)量多達(dá)24個(gè)的企業(yè)、校園、農(nóng)村和城市使用場合，蜂窩半徑達(dá)2km。通過兩個(gè)器件的級(jí)聯(lián)還可以使系統(tǒng)支持的用戶數(shù)量增加到48個(gè)。
Percello公司的一款SoC據(jù)稱也可以降低HSPA+毫微微蜂窩的成本和尺寸。這種型號(hào)為PRC6100的單芯片器件最大限度地提高了數(shù)字集成度，單個(gè)封裝內(nèi)包含有一個(gè)高速M(fèi)IPS24Kc處理器及其外設(shè)、毫微微蜂窩L1引擎(FLE)和嵌入式雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)內(nèi)存。因此，它不需要在電路板上增加任何額外的存儲(chǔ)器或數(shù)字器件。PRC6100符合3GPP HNB規(guī)范要求，最多支持8個(gè)用戶，可提供下行21.6Mb/s和上行5.76Mb/s的HSPA+數(shù)據(jù)速率。
第三代(3G)HSPA/HSPA+和4G長期演進(jìn)(LTE)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的興起導(dǎo)致帶寬需求突飛猛進(jìn)。這種需求反過來又刺激微波回傳領(lǐng)域中先進(jìn)的調(diào)制和復(fù)用技術(shù)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。阿爾卡特－朗訊(Alcatel-Lucent)公司無線傳輸產(chǎn)品事業(yè)部產(chǎn)品策略經(jīng)理Paolo Volpato指出，“如今業(yè)界已經(jīng)成功地使用一個(gè)無線電單元實(shí)現(xiàn)了超過1Gb/s的容量。實(shí)現(xiàn)這種突破性的特殊技術(shù)包括高調(diào)制方案(高達(dá)512QAM)的應(yīng)用、自適應(yīng)代碼調(diào)制(ACM)的開發(fā)以及針對(duì)頻率復(fù)用的先進(jìn)交叉極性抵消系統(tǒng)的使用。”
他繼續(xù)指出，“例如，ACM可以更高效地處理無線電鏈路中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)容量變化(由于衰落或可變天氣條件引起的變化)。為了應(yīng)對(duì)這些變化，調(diào)制方式會(huì)隨之變化：確保高優(yōu)先級(jí)服務(wù)始終比盡力而為的流量更優(yōu)先地提供。然而，應(yīng)用ACM也會(huì)引起挑戰(zhàn)：在上行鏈路的無線電方向會(huì)發(fā)生擁塞，這是由于管理來自不同接入源的新興業(yè)務(wù)的當(dāng)代節(jié)點(diǎn)式混合微波設(shè)備的局限性引起的。”
Volpato解釋說，這些混合微波設(shè)備同一上行鏈路無線電信道的兩個(gè)固定部分處理時(shí)分復(fù)用(TDM)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。TDM業(yè)務(wù)經(jīng)常得到固定大小的帶寬，并加以靜態(tài)保留。基于這種情況，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)只能應(yīng)用于當(dāng)前業(yè)務(wù)環(huán)境中的數(shù)據(jù)部分。這種情況源自TDM服務(wù)使用固定時(shí)隙、即便其中一些時(shí)隙空閑也要傳輸這樣的事實(shí)。當(dāng)擁塞發(fā)生時(shí)，不管相對(duì)優(yōu)先級(jí)如何，所有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都會(huì)受到影響(包括互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語音(VoIP)在內(nèi))。
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最新代微波數(shù)據(jù)包無線電設(shè)備正在努力克服這種限制，這些設(shè)備將所有類型的業(yè)務(wù)都當(dāng)作可以用單個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。它們?cè)跓o線電方向上也采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)，以便更好地利用信道容量。例如，阿爾卡特－朗訊公司的9500微波數(shù)據(jù)包無線電設(shè)備借助自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)支持在延時(shí)和抖動(dòng)方面獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的確定性行為。服務(wù)作為優(yōu)先級(jí)的函數(shù)進(jìn)行處理。例如，固有的TDM語音被轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包，并與VoIP結(jié)合在一起，以便微波數(shù)據(jù)包無線電設(shè)備僅需處理單個(gè)語音服務(wù)。
這些系統(tǒng)解決方案的基礎(chǔ)在于同樣依賴于數(shù)據(jù)技術(shù)的元件設(shè)計(jì)的發(fā)展。例如，為了回答減小放大器失真、提高功效和增加輸出功率的問題，Scintera公司最近與Richardson Electronics公司合作向市場推出SC1887功率放大器(PA)(圖1)。這種功率放大器據(jù)稱無需訪問同相/正交(I/Q)基帶信號(hào)就能提供迫切需要的線性來改善效果。SC1887自適應(yīng)射頻功放線性化電路(RFPAL)據(jù)稱可以提供高達(dá)26dB的相鄰?fù)ǖ佬孤┍?ACLR)。這種解決方案不需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。借助Scintera公司的射頻功放線性化電路，設(shè)計(jì)工程師可以在射頻域中完成復(fù)雜的信號(hào)處理。這種解決方案可以應(yīng)用于種類廣泛的各種信號(hào)，包括2G、3G、4G和其它調(diào)制類型，因?yàn)槠淠M信號(hào)處理引擎能夠線性化高效率的功放拓?fù)洹?br />
圖1：這種系統(tǒng)級(jí)芯片解決方案可以提供射頻功率放大器預(yù)矯正所需的所有功能
據(jù)Scintera公司銷售與營銷副總裁Kris Rauch表示，“這款I(lǐng)C通過集成有先進(jìn)模擬電路的片上微控制器實(shí)現(xiàn)了受數(shù)字控制的可編程模擬信號(hào)處理器。這種解決方案可以利用軟件重新配置，從而支持廣泛的調(diào)制類型和所有工作條件下的信號(hào)帶寬。”
Richardson Electronics公司射頻/微波產(chǎn)品部副總裁Chris Marshall表示，“Scintera的模擬預(yù)矯正方法吸引了許多人的關(guān)注，因?yàn)檫@種方法很容易實(shí)現(xiàn)。作為一種射頻至射頻解決方案，它可以應(yīng)用于不能訪問基帶信號(hào)的功放設(shè)計(jì)。雖然高達(dá)26dB的潛在ACLR改進(jìn)沒有數(shù)字預(yù)矯正(DPD)設(shè)計(jì)那么突出，但最小工程成本和相對(duì)較低的單元價(jià)格對(duì)較小規(guī)模的生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)以及中繼器和其它低功耗設(shè)計(jì)來說極具吸引力，因?yàn)樵谶@些場合DPD開銷變得非常大，其相對(duì)較低的操作成本無法抵消價(jià)格的顯著上升。”
諸如DPD和振幅因子減少等先進(jìn)數(shù)字算法在線性化功放和改進(jìn)發(fā)射器效率(從不到10%提高到40%以上)方面變得越來越流行，亞諾德半導(dǎo)體公司(ADI)通信基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域小組區(qū)域應(yīng)用工程師Gina Colangelo表示。她強(qiáng)調(diào)指出，DPD要求使用帶高帶寬ADC的觀察接收器實(shí)現(xiàn)耦合式功放輸出的下變頻。先將數(shù)字版本的發(fā)射波形與接收到的波形進(jìn)行比較，然后由自適應(yīng)算法計(jì)算/更新全套系數(shù)來預(yù)加載下一個(gè)發(fā)射波形。隨著自適應(yīng)算法的收斂，功放得到線性化，輸出失真得到顯著減小。與前向反饋線性化等其它模擬線性化方法相比，速度的提升和采用更精細(xì)的走線工藝使得DPD對(duì)多天線發(fā)射系統(tǒng)來說顯得更具可擴(kuò)展性。
如上所述，很高速度的DAC在今天的無線基礎(chǔ)設(shè)施中也扮演著重要的角色，因?yàn)樗鼈兪侵饕男盘?hào)發(fā)生器。Colangelo指出，“這些DAC正在執(zhí)行原本由包括基帶處理器在內(nèi)的各種額外電路元件完成的許多功能。另外，數(shù)據(jù)接口越來越多的使用低壓差分信號(hào)(LVDS)可以使數(shù)據(jù)速率高達(dá)1200Msamples/s甚至更高，同時(shí)保持較低的功耗和電源電壓。DAC的高輸入數(shù)據(jù)速率有助于增加發(fā)射路徑的輸入帶寬，允許更高階的DPD算法或更寬的校正帶寬。LVDS還具有輻射低的特性，可以提供更好的抗噪聲性能和時(shí)序性能。”
最新的信號(hào)處理DAC，如ADI的AD9122 TxDAC+，可以在復(fù)雜的中頻(IF)直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)中工作。這些DAC提供完全調(diào)制的中頻I和Q信號(hào)，這些信號(hào)可以通過模擬正交調(diào)制器和功放直接饋入天線，不需要額外的信號(hào)調(diào)制。
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通過利用數(shù)字超導(dǎo)技術(shù)，Hypres公司已經(jīng)能夠開發(fā)出在采樣速度、分辨率和帶寬方面超過目前ADC產(chǎn)品的ADC器件(圖)。當(dāng)在射頻或微波收發(fā)器中使用時(shí)，這種數(shù)字超導(dǎo)技術(shù)允許非常寬帶的射頻信號(hào)或微波信號(hào)直接在天線之后被數(shù)字化。Hypres公司首席執(zhí)行官Richard Hitt指出，這種技術(shù)不需要使用下變頻器或多個(gè)ADC、濾波器和放大器，“在信號(hào)鏈頂端(接近天線)如此精確快速地?cái)?shù)字化這么寬頻譜的信號(hào)建立起了通達(dá)真正全數(shù)字系統(tǒng)的路徑，數(shù)字基帶現(xiàn)在有了真正數(shù)字的配套前端。對(duì)于射頻和微波工程師來說，不再需要設(shè)計(jì)工作區(qū)來幫助提升或調(diào)整在通往數(shù)字基帶處理器的流行模擬信號(hào)鏈前端中質(zhì)量受到損傷的信號(hào)。”
當(dāng)在射頻或微波收發(fā)器中實(shí)現(xiàn)時(shí)，數(shù)字超導(dǎo)技術(shù)技術(shù)允許在天線后對(duì)寬帶射頻或微波信號(hào)直接數(shù)字化
正如上述幾個(gè)為數(shù)不多的例子表明，豐富的前沿?cái)?shù)據(jù)技術(shù)正在為下一代基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)師提供看似永無窮盡的功能選項(xiàng)。就像一般的前沿新興技術(shù)一樣，其中一些技術(shù)已經(jīng)在互相競爭。另外，由于費(fèi)用、可靠性、穩(wěn)健性和性能問題，有許多技術(shù)可能還不是解決現(xiàn)實(shí)問題的實(shí)用解決方案。不過，不管哪種解決方案能贏得LTE的青睞，有件事是確定的：無線基礎(chǔ)設(shè)施的未來將越來越多的依賴于數(shù)字技術(shù)。
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