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用于实现O-RAN无线解决方案的5G技术设备

作者:Brad Brannon时间:2022-03-24来源:ADI收藏
编者按:O-RAN旨在推动无线社区转型、开辟新无线设备通道和推动创新,以履行3GPP关于5G的承诺。要取得成功并保持高性价比,必须提供开源的无线电设备和优化的5G技术。本文将介绍其中一种用于设计和构建高功效比的解决方案。

它们如何组合使用?

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202203/432337.htm

图9显示完整的信号链,其中包括一些所需的控制信号。为了提高功效,该电路包含变送和接收信号功能,以在各自的周期内为TDD启用和禁用放大器。同样,它可与FDD配合使用,在插槽未使用时关断电源,以节省功率。还需要使用LNA开关来更改LNA上的输入开关,以将返回的变送功率分流至端电极,而不是分流至内核放大器输入。这些不同的信号可以由ASIC、FPGA或收发器生成和编配。

图9. 完整的收发器信号链

接收器信号链包括一个可以相应改变数字数据流的函数,以说明模拟增益降低的原因,在信号发送至低PHY,然后发送至基带下游其他部分时保持绝对信号电平。

此处所示的应用适用于单频段。虽然收发器使用宽带且覆盖至高达6 GHz的所有频率,但并非设计中的所有设备都是如此。LNA和PA这类设备通常使用频段,需要根据支持的频段进行选择。通常情况下,这些设备在引脚兼容选项中提供,覆盖6 GHz以下的所有常用频段,且易于扫描。如此,可以支持所有的常用TDD和FDD频段,包括用于和提议用于的频段。

时钟树

根据配置,可以使用几种不同的时钟配置。如果需要精确的时间校准,则需要使用2级时钟合成。第一级是通过ASIC、FPGA或控制器连接至基带,以准确计时和校准无线电数字化功能。此应用要求通过前传网路或本地GPS接收器来处理提供的精确时间协议(PTP)信息。如此确保无线电和基带处理器知道应对无线电帧实施处理的准确时间。

AD9545 系列非常适合用于准确调节无线电的主时钟的频率、相位和时间。其优点在于,可以配置为在无参考时钟的情况下临时运行,且在与TCXO(温度补偿晶体振荡器)或OCXO(恒温晶体振荡器)耦合之后,且在参考时钟出现故障或断续的情况下保持精度。

对于无需准确的时间校准的配置,或者作为校准的第二级,需要使用时钟分配设备。分配设备的作用在于,为整个无线电生成时钟范围。这包括JESD、eCPRI、以太网、SFP所需的范围,以及整个无线电的其他关键信号所需的范围。 AD9528 提供14种不同速率的低抖动时钟,包括支持JESD204B/JESD204C设备时钟和SYSREF信号功能。

2级时钟框图如图10所示。对于无需准确校准时间的应用,可以去掉或旁路AD9545,仅使用AD9528。系统的输入时钟来自于基本的网络定时,由以太网功能块或FPGA中的基带和网络功能恢复,具体由实际架构决定。可以根据无线电的具体要求选择多种备用配置,此处只显示一种表示方法。

图10. 时钟树示例

功率

功耗是由多种因素决定的。这些因素包括选择的FPGA、采用的功能、选择的收发器、启用的选项、所需的时钟树,以及生成的RF功率。

实施 CUS和M面处理的典型中等范围FPGA SoC,加上与IEEE 1588 v2 PTP堆栈同步,会消耗约15 W。典型的ADRV9029收发器会消耗5 W至8 W,由TDD或FDD配置,以及启用的DFE功能的范围决定。为此,必须增加时钟功率、接收器功率、变送器功率,以及其他功率。表2显示系统(不包括变送器链)的功耗总和示例,功率输出等级不同时,该值存在很大差异。

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表2. 预算功耗

将无线电的功耗相加,Tx:Rx在70:30占空比下的总功耗为26 W至29 W,具体由实际采用的无线电配置决定(不包括与PA相关的功耗)。表3显示少数几个PA功耗示例。由于PA主要在AB类晶体管的线性范围内工作,所以它们的效率在20%到50%之间。在这个范围内,集成式DPD大有优势。即使对于小带宽、低功耗PA,几十mW的DPD功耗也会抵消PA效率的改进。

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表3. 变送功耗

对于低功耗小型蜂窝,增加约2.5 W额外功率会让总功耗增加至约30 W,对于由PoE解决方案供电的无源冷却室内小型蜂窝非常合适。

一种潜在的PoE解决方案如图11所示。该解决方案包括 LT4321 桥控制器,它使得MOS晶体管可以用作理想的二极管,而不是整流器,其优点在于可以大幅提高效率。其后接 LT4295,这是一个符合802.3bt标准的PD设备。还可以后接合适的本地稳压器,以满足之前的表中所示的要求,按照需要提供高达90+ W的功率。

图11. PoE隔离式小型蜂窝电源解决方案

除了PoE转换设备外,还可以使用许多其他设备来支持小型蜂窝参考设计。其中包括基础设备,例如 ADP5054 系列,该系列专用于为ADI收发器、许多其他降压转换器和低噪声LDO稳压器供电,如图12所示。

图12. 适用于小型蜂窝应用的典型功率树

选项

这个无线电架构的一大优点是:它非常灵活,可以满足多种市场需求。此架构针对多种应用进行优化,包括FDD和TDD。它可以在低、中和高频段内保持高性能,非常适合小型蜂窝到大规模MIMO平台。可以在变送器和接收器电路中进行不同的权衡取舍,以优化成本、尺寸、重量和功率。虽然本部分侧重于更高的性能和集成,但可以通过选择稍微不同的选项,做出可以改善成本的取舍。

例如,一些低功耗PA不需要使用驱动放大器,可以不要求配备。对于许多小型蜂窝应用来说,RF功率都较低,所以可以使用简单的TR开关来替代环形器。最后,如果只需要局域性能,可以使用简单的单级LNA来替换双级LNA。结果是,成本更低的选项仍然能够提供不错的无线电性能。实例如图13所示。还可以使用许多其他排列,在广泛的频率和功率选项内,满足多种可能。

图13. 备用的收发器信号链

结论

本文所述的技术设备适用于通信应用,支持实现适合开发的低成本设备,尤其是实现 O-RU解决方案的设备。其中包括来自RadioVerse系列的设备、RF放大器、时钟恢复/同步,以及以太网供电/负载点调节。这些高度集成的设备组合可用于实现5G小型蜂窝、宏蜂窝、微蜂窝和大规模MIMO应用。

图14. 5G原型平台,包括可重新选择频段的RF前端

与FPGA、eASIC或ASIC中提供的合适的PHY和软件组合使用时,可以开发完整的O-RU解决方案,如图14所示。此解决方案是与Intel®、Comcores和 Whizz Systems等合作伙伴共同开发的。这些解决方案不仅满足所需的RF特性,而且满足部署低成本、高性能O-RAN平台所需的成本和功率预算。

参考电路

1.ftp://ftp.3gpp.org/specs/latest/Rel-15/38_series/

2.O-RAN联盟。

3.“O-RAN:朝向开放和智能的RAN发展”。O-RAN联盟,2018年10月。

4.Brad Brannon. “零中频的优势:PCB尺寸减小50%,成本降低三分之一”。 《模拟对话》,第50卷第3期,2016年9月。

5.规格:O-RAN联盟。


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关键词: O-RAN 5G

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