6 GHz频段无线电解决方案：16 nm收发器系列

摘要

近期，6 GHz频段被划分用于无线通信系统，为实现高速、低延迟应用开辟了新的可能性。ADI公司推出的16 nm收发器系列为该频段提供了一种高度集成的解决方案，兼具低功耗和高性能。本文将介绍6 GHz频段，并讨论ADI收发器系列所采用的零中频架构的优势。此外，本文还将重点介绍16 nm收发器系列的主要特性和在不同场景中的应用。

引言

随着无线通信系统的不断演进，各方也在持续探索和采用新技术和新频谱。对于无线行业的从业者而言，3GPP（第三代合作伙伴计划）将6 GHz频段纳入频率范围1 (FR1)是个令人鼓舞，但也在预料之中的好消息。通过将原来的FR1在低频和高频两端都进行扩展，从[450 MHz至6000 MHz]扩展至[410 MHz至7125 MHz]，行业能够访问大量新增频谱，为未来的增长和创新开拓了新机遇。

相较于旧版FR1频段，新的6 GHz频段支持更宽的带宽：n96为1200 MHz（5925 MHz至7125 MHz），n102为500 MHz（5925 MHz至6425 MHz），n104为700 MHz（6425 MHz至7125 MHz）。通过提供网络能耗性能良好且传播率优于频率范围2 (FR2)频段的高容量频谱，新的6 GHz频段必将成为无线连接的重要资源。2020年，美国联邦通信委员会(FCC)将6 GHz频段划定给免授权的Wi-Fi使用，这使得6 GHz频段在市场内极具竞争力。

本文将探讨ADI的16 nm收发器系列在相关应用中的特性和优势。ADI 16 nm收发器是一款高度集成的器件，提供8T8R（八个发射器和八个接收器）和4T4R（四个发射器和四个接收器）两种配置，具有多种数字前端功能，包括数字预失真(DPD)、削峰(CFR)、载波数字上变频器和下变频器（CDDC和CDUC），而且具有省电节能特性。

架构

如图1所示，ADI的16 nm收发器系列集成了八个差分发射器(Tx0-7)、八个差分接收器(Rx0-7)和两个差分观测接收器(ORx0-1)。可调谐频率的范围介于400 MHz至7125 MHz之间，以两个射频(RF)合成器作为本振(LO)。可调谐带宽高达600 MHz。为了连接到基带处理器，设计了高速JESD204B/JESD204C接口。

图1.ADI 16 nm收发器的功能框图。

发射器

发射器采用零中频架构，如图1所示。来自数模转换器(DAC)的同相和正交(I/Q)基带信号通过基带低通滤波器(LPF)进行重构和滤波，然后通过模拟调制器和LO进行上变频，得到射频输出信号。与射频采样转换器相比，零中频发射器提供更高的线性度和抗噪声性能，而且功耗相对较低。

DAC转换函数的一般形式为sin(x)/x，其频率响应并不平坦，如图2所示。模拟输出在较高频率时会出现衰减。采样过程中会生成目标信号的镜像，需要将镜像滤除。否则，镜像会污染无线电频谱，违反3GPP和FCC的发射要求。

图2.DAC的SINC响应及其镜像。

因此，DAC的最大可用输出频率通常为采样时钟速率的40%。为了使射频采样在6 GHz频段（最高7.125 GHz）有效运行，DAC采样时钟必须在高于18 GHz的频率运行，这会消耗大量功率。此时，零中频发射器的优势非常明显。它只需对基带I/Q信号进行数字化处理，DAC采样时钟就能够降低至3 GHz以支持6 GHz频段。由此可在整个6 GHz频段实现更平坦的输出功率（图3），并实现更低的噪声谱密度(NSD)与相对较低的能耗。通常情况下，即使采用相同的工艺，对于典型的单频段应用而言，要实现同等的抗噪声性能，射频采样转换器的功耗比基带I/Q转换器高出大约125%。

图3.6 GHz频段下的发射器输出功率和平坦度。

接收器

在接收器路径上，通过使用模拟解调器和LO，对射频输入进行下变频，得到基带I/Q信号。连续时间Σ-Δ ADC专门用于对基带I/Q信号进行数字化处理。该ADC集成了固有的抗混叠滤波功能，与传统采样技术相比，大大放宽了滤波要求。在射频输入端口，宽带匹配功能可在6 GHz频段提供平坦的频率响应，如图4所示。

图4.6 GHz频段下的接收器频率响应。

基带放大器可以采用经典拓扑，通过使用反馈电路来提供良好的线性度和抗噪声性能。然而，射频采样接收器需要在射频频段进行成本高昂的额外滤波。为了对6 GHz频段进行采样，射频采样ADC需要8 GSPS采样时钟，以便转换来自第二奈奎斯特区的目标信号，因此，如果不进行强力滤波来减轻影响，就无法避免产生的信号发生混叠。或者，可使用高于15 GSPS的采样时钟来放宽抗混叠要求，但与零中频的基带I/Q采样相比，这种方法的能耗明显更高。相比之下，零中频的基带I/Q采样仅需3 GSPS左右的低I/Q采样时钟便能满足性能需求。

此外，零中频接收器的NSD通常与频段无关。如图5所示，6300 MHz和7100 MHz时的NSD几乎相同。

图5.接收器噪声谱密度。

观测接收器

在这种高度集成的收发器中，两个观测接收器均设计为射频采样架构，通过适当的前端设计，为用于功率放大器(PA)的DPD环回接收器、用于发射器输出功率的监控路径或者用于射频频谱的嗅探接收器等提供性能保障。

为了支持各种应用，观测接收器可配置为在四种采样时钟速率下工作，从而灵活地在带宽、NSD性能和功率之间进行选择。有关不同采样时钟速率下的NSD性能和功率，请参见表1。

表1.不同采样时钟速率下的NSD性能和功率

应用

无线大规模多路输入多路输出(MIMO)系统

ADI的16 nm收发器广泛部署于sub-6G大规模MIMO系统，已有数百万台搭载了这项技术的基站收发台(BTS)设备在实际应用中投入使用，足以证明这款收发器是sub-6G频谱内的可靠无线电解决方案。从2025年起，得益于扩展后的3GPP FR1，这款收发器也将在6 GHz频段下提供同样出色的性能及以下优势。

支持宽带宽

在发射器和接收器上支持600 MHz瞬时带宽(IBW)，为PA的数字预失真(DPD)支持800 MHz合成带宽。

两个观测接收器可用作PA数字预失真的反馈信道。

具有高达19.66 Gbps/32.44 Gbps的JESD204B/JESD204C数字接口，支持宽带宽。

减少信道间相位变化的技术

多芯片同步(MCS)：作为器件初始化的一部分，MCS状态机采用系统全局参考信号(SYSREF)来复位数据转换器时钟及数字数据路径上的所有其他时钟，以使时钟相位与器件时钟(DEVCLK)同步，从而使从JESD接口到数据转换器的相位保持一致。此外，MCS状态机会对射频PLL相位进行复位，以与DEVCLK和LO分配路径上的分配器保持一致，从而在射频输入和输出端口实现整体相位对齐。

发射器衰减引起的相位补偿：信号路径上的增益或衰减变化是引起相位变化的另一个原因。为了减轻相位变化，针对每个发射器的衰减指数，添加了预表征的相位补偿，从而确保每当系统调整衰减时都会应用相位校正。

在收发器中融入这些技术有助于将信道初始化为更一致的启动条件，从而降低系统天线校准的复杂性。这样，通过降低射频PLL对温度的依赖性并减轻增益变化引起的相位变化，天线校准便能在操作过程中以更低的频率运行。

功耗节省

非连续传输(DTX)模式：对于传统的无线电单元，即使蜂窝单元里没有用户，能耗也相当高。这款收发器内置DTX功能，可在空传输时间间隔(TTI)期间，关闭发射器数据路径中的组件。配置了DTX后，当收发器检测到“零数据”条件时，便会关闭功率放大器及其他发射器组件。检测到非零数据时，器件会快速激活。在使用实际的移动网络运营商数据的场景中，这项技术将RU能耗降低了30%以上，同时不影响服务质量(QOS)。

16 nm收发器用于Wi-Fi系统的免授权6 GHz频段

2020年，美国FCC表决通过了允许免授权的无线局域网在 6 GHz频段内运行的决议。之后，Wi-Fi联盟为Wi-Fi 6E信道分配了5925 MHz至7125 MHz的频谱3，在传统2.4 GHz频段和5 GHz频段的基础之上，多增加了14个额外的80 MHz信道或7个额外的160 MHz信道。有关6 GHz频段的免授权频段，请参见表2。

表2.6 GHz频段的免授权NII频段

ADI的16 nm收发器系列覆盖6 GHz频段，提供出色的性能，并且可以在能耗与带宽之间灵活权衡，亦能从前面部分讨论的零中频架构中获益。

单个无线电芯片通过空间分集（4倍或2倍天线分集）即可支持1200 MHz

如前所述，这款收发器支持600 MHz IBW，通过与两个内部LO结合使用，单个芯片可覆盖整个1200 MHz频段。如图6所示，对于整个1200 MHz频段，收发器配置为支持四根天线（四个信道）。LO0用于信道0至3，以覆盖所有四个信道上的U-NII-5和U-NII-6。同样，对于U-NII-7和U-NII-8的信道4至7，LO1将配置为6825 MHz。两个600 MHz频段可通过高速JESD204C接口同时发送到基带。配置详情参见表3。

图6.宽带宽配置A——4倍天线分集。

低功耗解决方案通过LO频率扫描即可支持1200 MHz

6 GHz频段Wi-Fi频谱可分成59个信道，每个信道的带宽为20 MHz，或支持七个信道，每个信道的带宽为160 MHz。除了上述宽带宽配置，收发器还可配置为窄带宽，以降低能耗。例如，当数据速率为245.76 MSPS时，信号带宽可为160 MHz，JESD通道速率可低至9.8 Gbps运行。在1200 MHz频段内，射频LO频率可以灵活配置，以覆盖整个6 GHz频段。与宽带宽配置相比，在这种低功耗配置下，收发器可节省20%的功耗。配置示例如图7和表4所示。

图7.窄带宽配置B——4倍天线分集。

用于频谱扫描的宽带观测接收器

对于此类应用，观测接收器可配置为7.8 GHz，无缝覆盖Wi-Fi 6 GHz频段。图8显示了6 GHz频段位于第二奈奎斯特区的高频段范围，相应地，在第一奈奎斯特区，通过利用接收器数据路径上的NCO，反转的6 GHz频谱可转换为基带。

图8.观测接收器上的6 GHz频段频谱。

在无线通信市场中，随着新技术和新频谱的持续引入，运营商迫切需要经济高效的解决方案。因此，高度集成的低功耗解决方案变得更加重要。ADI公司的16 nm收发器系列在单个芯片上集成了八个信道和高性能模拟前端及数字前端功能（DPD、CFR和CDDC/CDUC）。零中频架构提供低功耗收发器解决方案，并在器件中集成了省电特性(DTX)，以便通过控制PA来进一步降低系统功耗。此外，得益于灵活的配置，这种架构能够灵活适用于无线BTS和Wi-Fi系统等多种应用。

参考文献

1 “均衡技术使DAC频率响应平坦化”，ADI公司，2012年8月。

2 Brad Brannon，“无线电架构事关重大：射频采样与零中频的回顾”，ADI公司，2021年12月。

3 “FCC Opens 6 GHz Band to Wi-Fi and Other Unlicensed Uses”，美国联邦通信委员会，2020年4月。