通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的中射頻設(shè)計(jì)方案

早期的通信系統(tǒng)使用數(shù)字信號(hào)處理器IC來(lái)產(chǎn)生kHz帶寬的基帶信號(hào)，所有的RF調(diào)制(以及隨后的RF濾波和RF放大等)都是使用離散模擬組件進(jìn)行的。RFSoC平臺(tái)可能是最先進(jìn)的現(xiàn)代無(wú)線通信平臺(tái)，可以使用FPGA可編程邏輯內(nèi)核生成GHz的帶寬信號(hào)，這意味著上變頻、濾波、數(shù)字預(yù)失真(DPD)甚至射頻載波調(diào)制都可以通過(guò)數(shù)字方式進(jìn)行。在這種射頻直采中，僅剩的模擬級(jí)是RF濾波和RF放大。

根據(jù)通信系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程，本文將介紹幾種常見(jiàn)的中射頻設(shè)計(jì)方案。

1.基帶采樣/模擬中頻基帶采樣（1990s）

早在20世紀(jì)90年代末，運(yùn)行在100 ksps的16位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器是最新的(也是相當(dāng)昂貴的)技術(shù)。如圖1和2所示，在這些第一代“數(shù)字無(wú)線電”中，模擬部分使用模擬本振(LO)將來(lái)自RF載波的信號(hào)分一級(jí)或兩級(jí)進(jìn)行下變頻。如圖2所示的兩級(jí)版本，具有中頻(IF)級(jí)，并使用第二個(gè)模擬LO進(jìn)一步將中頻信號(hào)下變頻到基帶(即Edwin Armstrong為FM Radio開(kāi)發(fā)的超外差架構(gòu))。從歷史上看，由于DAC和ADC技術(shù)的限制(特別是可實(shí)現(xiàn)的采樣率)，這些方法被用于A/D接口的唯一可行位置。

然后對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行采樣并使用ADC進(jìn)行數(shù)字化，并使用DSP操作執(zhí)行最后的處理階段以恢復(fù)傳輸?shù)男畔ⅰ?0世紀(jì)90年代的第二代移動(dòng)電話——那些接收GSM信號(hào)的——很可能使用了這種架構(gòu)。

圖1:基帶采樣架構(gòu)

圖2:模擬中頻基帶采樣架構(gòu)

2.數(shù)字中頻采樣（2000s）

隨著A/D接口的采樣速度逐漸增加到MSps范圍，下一代數(shù)字無(wú)線電看到采樣和數(shù)字化過(guò)程在中頻而不是基帶進(jìn)行。例如，40MHz左右的IF可以由采樣頻率為125MHz的ADC支持。該架構(gòu)的第一級(jí)DSP涉及使用直接數(shù)字下變頻器(DDC)通過(guò)解調(diào)和抽取濾波將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)移到基帶，如圖3所示。一旦信號(hào)到達(dá)基帶，就進(jìn)行進(jìn)一步的DSP處理。在這個(gè)架構(gòu)中，在數(shù)字領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了更多的功能，為無(wú)線通信系統(tǒng)提供了更大的靈活性。

圖3:數(shù)字中頻采樣架構(gòu)

3具有可調(diào)諧射頻的基帶采樣 (2010)

隨著SDR的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，IC制造商開(kāi)始開(kāi)發(fā)單芯片SDR前端，將一些模擬和數(shù)字階段結(jié)合在一起；為模擬振蕩器、濾波和放大器級(jí)帶來(lái)數(shù)字/軟件可調(diào)性，如圖4所示。這使得SDR更加靈活，并首次能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)工作。A/D接口現(xiàn)在能夠達(dá)到100MSps的采樣率，將可實(shí)現(xiàn)的基帶信號(hào)帶寬增加到10MHz;這意味著SDR可以用于我們?nèi)粘Ｊ褂玫牧餍袩o(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)的原型設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，比如Wi-Fi和LTE。

圖4:具有可調(diào)諧射頻的基帶采樣架構(gòu)

到2010年，通用計(jì)算機(jī)也變得更加強(qiáng)大，具有更高的CPU時(shí)鐘速度和更大的RAM。專用DSP或FPGA硬件不再需要實(shí)現(xiàn)SDR系統(tǒng)的最終DSP操作。這些可以在主機(jī)上的軟件(如MATLAB或GNU Radio)中實(shí)現(xiàn)。為了將SDR前端芯片與計(jì)算機(jī)連接，SDR主板上需要USB、Gbit以太網(wǎng)和PCI Express等接口。FPGA作為計(jì)算機(jī)接口與SDR前端芯片之間的互連集線器，如圖5所示。

這兩個(gè)重大的進(jìn)步首次將SDR市場(chǎng)向更廣泛的社區(qū)開(kāi)放——愛(ài)好者、專業(yè)消費(fèi)者和學(xué)生研究人員——因?yàn)橐郧?span lang="EN-US" style="font-family: " times="" new="" roman",="" serif;"="">SDR解決方案實(shí)際上只用于高級(jí)研究和軍事應(yīng)用。規(guī)模經(jīng)濟(jì)將SDR收發(fā)器硬件的成本降低到1000美元以下，SDR革命真正開(kāi)始了。這些無(wú)線電類型的例子包括USRP?B210(相當(dāng)于圖5所示的“SDR主板”)和Zynq SDR(基于AMD Zynq的開(kāi)發(fā)板(如ZedBoard?)和第三方SDR前端的組合)。

圖5:帶可調(diào)諧射頻的基帶采樣SDR的系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)

我們現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了可以以多Gsps速率運(yùn)行A/D轉(zhuǎn)換器的階段，這意味著幾乎全數(shù)字無(wú)線電可以用于越來(lái)越多的頻段。最終，已經(jīng)采取了直接采樣RF信號(hào)的措施，如圖6所示，隨后使用DSP在單級(jí)中將它們從RF頻率下變頻到基帶。2018年，隨著Gen 1 RFSoC的推出，該架構(gòu)首次以完全集成的形式實(shí)現(xiàn)。第三代將于2022年發(fā)布，能夠以高達(dá)10 Gsps的速率進(jìn)行采樣。

幾乎全數(shù)字的射頻直采只需要很少的模擬處理——主要是前端RF濾波器和RF放大器。從SDR的角度來(lái)看，幾乎所有功能都是數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的這一事實(shí)非常重要——這意味著無(wú)線電的操作可以被控制，甚至可以在運(yùn)行時(shí)使用軟件動(dòng)態(tài)更新，如圖6所示。雖然許多(但不是全部)5G網(wǎng)絡(luò)正在使用直接射頻SDR前端，但我們可以預(yù)期，在未來(lái)的6G實(shí)現(xiàn)中，所有無(wú)線電都將采用這種形式。

圖6:射頻直采架構(gòu)

除上述的SDR平臺(tái)外，實(shí)際上如今的4G、5G等基站設(shè)備，普遍采用基帶采樣或數(shù)字中頻采樣，通過(guò)CPRI、JESD204B等接口將基帶板與射頻板連接起來(lái)。

Xilinx推出的RFSoC則通過(guò)DFE部件，直接完成射頻直采，不再通過(guò)JESD204B等接口而是通過(guò)AXIS接口進(jìn)行傳輸。

圖7 ：IP集成的SDR設(shè)計(jì)

對(duì)于輕量級(jí)SDR設(shè)計(jì)而言，軟件可以完成協(xié)議棧和物理層基帶部分的處理，中射頻部分再通過(guò)RFSoC進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

需要注意的是，如果是做商用基站產(chǎn)品，這種RFSoC架構(gòu)卻不一定適合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。一體化基站當(dāng)然可以作為一種選擇，但板載的PS處理器幾乎不可能完成復(fù)雜的協(xié)議棧處理，以及部分物理層功能的實(shí)現(xiàn)。

每一種射頻架構(gòu)都有各自的優(yōu)劣，需要考慮信號(hào)帶寬、AD/DA采樣率、濾波器、中心頻點(diǎn)等具體的設(shè)計(jì)。