用于移动宽带基础设施的新一代无线电数字前端解决方案

只看该作者 · 2012-10-5 21:13

网络运营商在通过使用新型空中接口、更高带宽和更多蜂窝基站努力扩大网络容量的同时，要求显著地降低设备成本。另外他们还希望提高网络集成度，提升运营效率。为提供能够满足所有这些需求的设备，无线基础设施设备的制造商正在寻求具有更高集成度、更低功耗和成本但灵活性更高的解决方案，以制造出既能满足多个运营商需求，又能缩短产品上市时间的设备。本文将分析赛灵思提供的新型器件Zynq™可扩展处理平台（EPP）将如何帮助设备制造商解决这些问题。
智能电话、平板电脑和数据集线器的普及正推动无处不在的高速数据需求呈爆发式增长。为提供这种数据满足他们的需求，网络运营商不得不使用LTE或者LTE-A等最新空中接口标准，构建更多蜂窝基站，同时增加每个基站的天线数。另外，每用户平均收入（APRU）的持续下降使运营商每年都要求设备厂商大幅降低成本。更糟糕的是，这些新的蜂窝基站网络可能要求扩展现有的语音和数据网络，而现有网络采用GSM或UMTS标准且部署在不同的频段上。
不管是增加天线数量来支持多个频段，还是采用多输入多输出（MIMO）技术提升数据速率，虽然成本高，但对运营商来说是必要的。为降低对天线杆相关运营成本的影响，设备制造商正在想法设法缩减设备的封装尺寸（即设备的体积和重量），同时还要降低成本和功耗。他们在无线电传输领域不断创新，从天线到双工/三工器乃至无线电设备本身，努力缩小天线杆的封装尺寸。
运营商可以采用多种方案满足自己的需求。其中之一是使用多频段天线，从而减少为支持基于GSM、UMTS或者LTE的多个网络所需的天线数。为进一步完善这些多频段天线，运营商可在天线杆上安装远程无线电装置，为所需的频段提供支持。远程无线电装置也必须不断发展，以支持多种空中接口和更高的带宽，同时减轻重量，缩小机箱，才能满足运营商的未来需求。
天线集成无线电装置的兴起，为运营商提供了又一种可选方案。这种方法把无线电电子装置安装在天线机箱中，实现全集成的无线电和天线，故不必采用单独的远程无线电装置，从而最小化了天线杆尺寸。无线电电子装置和天线机箱的进一步发展就是最近推出的有源天线系统（AAS）。这种复杂的天线要求更强大的无线电信号处理能力，可增加网络容量，同时缩小天线杆的封装尺寸。
缩小远程无线电装置或天线的尺寸和重量的关键之处在于进一步提高无线电电子装置的集成度。另外，为了支持GSM、LTE、UMTS等多种空中接口，无线电设备必须具有高度的灵活性和可编程功能。
先来看看这些无线电设备如何才能具有更好的可编程性，同时又能提供更高的集成度。

图1：典型无线电设备的高级方框图

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图中文字如下：
运营和维护
调度、告警、调试和消息发送控制处理器存储器串行（JESD204）/并行（LVDS）向/从DAC/ADC发送/接受
用铜缆或者光纤从/向基带处理串行发送/接收上采样和整形缩小动态范围线性化放大器
光学模块 6/10G串行解串器 CPRI/OBSAI主设备数字上变频（DUC）峰值因数抑制（CRF）数字预失真（DPD）时钟合成滤波器调制
6/10G串行解串器 CPRI/OBSAI从设备数字下变频（DDC） JESD204 A/B 或 LVDS 滤波器混合器
降频采样与整形
基带接口信号处理模拟接口射频（RF）
图1说明了典型无线电设备的架构与功能。
基带接口的作用是通过基带处理卡把系统连接到铜光纤上。基带处理卡的位置可以在天线杆的基座上，也可以在空中。这些接口一般需要借助运行速度高达9.8Gbps的高速串行/解串器（serdes）组件，才能用作通用公共无线接口（CPRI）。
基带单元上接收到的信号或发送给基带单元的信号在发送到模拟域之前或从模拟域接收到之后，需要进行大量的信号处理。信号处理包括数字上/下变频（DUC/DDC）、峰值因数抑制（CRF）和数字预失真（DPD）。DUC和DDC负责处理上采样和整形，而CRF和DPD主要用于通过采用数字信号处理线性化功率放大器，来提高无线电单元的传输效率。
采用高速并行LVDS信号发送或新兴的协议JESD204[A/B]均可实现到数据转换器（DAC和ADC）的接口.
射频（RF）领域包含所有的调制器、时钟综合装置、滤波器和放大器电路，用于经功率放大器从天线处发送和接收数字信号。
整个无线电电装置采用微处理器进行控制。该微控制器一般运行在Linux或VxWorks等实时操作系统上。运维功能负责无线电单元的告警、校准、消息发送和整体控制，这是一项复杂的工作，一般需要连接SPI/I²C、以太网、UART（当然还包括存储器）等其它众多组件。
过去供应商综合运用ASIC、ASSP和FPGA器件来实现数字无线电信号处理功能。ASIC器件的灵活性最差，一般会因设计初期规格锁定而导致功能缺失。虽然该器件成本最低，但开发和NRE成本高，且产品上市速度慢。ASSP器件灵活性有限，因为它们往往是针对一系列使用案例而设计的，不适用于其它应用。而FPGA则不然，由于其内在的高灵活性，在数字无线电领域的应用正在不断增长。FPGA能支持各种设备需求，同时能够根据客户需求的发展变化不断交付新功能。在这类应用中的许多案例中，FPGA紧邻ASIC和ASSP器件放置，用于弥补其它器件欠缺的功能。
图2说明了综合使用ASSP、FPGA和微处理器构建的2x2的无线电设备。

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图中文字如下：
存储器
存储器控制器 SPI/I2C ARM A9：控制处理器 ARM A9：DPD更新 UARTS GPIO
光学模块 6/10G串行解串器 CPRI/OBSAI主设备数字上变频（DUC）峰值因数抑制（CFR）数字预失真射频（RF）处理
6/10G串行解串器 CPRI/OBSAI从设备数字下变频（DDC） FPGA架构
赛灵思 Zynq-7030（架构利用率达63%）
图4所示的是设备制造商如何利用Zynq实现当今远程无线电装置中的全部功能。使用Zynq中提供的处理器子系统，可以在一个可用的ARM处理器上实现调度、校准、消息发送和整体控制功能。结合其它ARM处理器，设计人员就能够实现DPD设计常用的系数计算。完成解决方案的许多所需的外设（比如存储器控制器、SPI/I²C、UART、千兆位以太网和GPIO）也已固化，这不仅有助于降低功耗和成本，同时还不影响可编程逻辑架构。
可编程逻辑用于补充和完善处理器子系统，可实现高性能信号处理能力，以满足现在和将来宽带无线电需求。DSP模块可确保DUC/DDC、CFR和DPD设计所要求的数字滤波器能够得以高效实现且保持较低功耗。与DAC/ADC接口的是使用LVDS的器件I/O，或是使用JESD204的串行解串器。CPRI接口也实现在可用的串行解串器中。
使用Zynq的优势十分显著。从图5和图6可以看出与现成的ASSP相比，这种架构能够实现明显的成本和功耗节约。这个示例假定信号带宽为20MHz，有两个发送和两个接收路径。Zynq还能够支持更高的带宽和更多数量的天线。

图5：使用Zynq相对降低材料清单（BOM）成本

图6：使用Zynq降低耗电

在2x2 20MHz LTE示例中，Zynq解决方案将功耗降低了高达50%，总材料成本相对等效ASSP设计降低了 35%~40%。另外，图7还显示了，由于较图2元组件数量减少，在提供图4中相同的功能时，封装面积可缩减达66%。

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图7：使用Zynq缩减封装面积

这样可以让PCB板级空间显著缩小。设备制造商现在可以大幅缩小设备尺寸，实现更高集成度，让天线杆的尺寸比以往大大缩小。
使用Zynq还能够带来诸多其它优势。Zynq可以降低电源的复杂性和成本，同时提高无线电单元的可靠性。可靠性的提高能够减少对市场退货相关的后期执行费用的影响，还能够实现更高的网络可靠性。另外降低功耗还能够减少散热，从而可以使用尺寸更小、重量更轻的散热器和机械结构。最后，Zynq解决方案能够结合软硬件灵活性，在设计后期才确定无线电单元的规范。这样可以缩短产品上市时间，降低风险，在设备出货后很长时间内还能支持新功能。
结论
无处不在的高速数据的爆炸式需求正在推动铁塔天线和数字无线解决方案持续创新。所有这些解决方案有一个共同点，就是要求尺寸更小、重量更轻、成本和功耗更低，同时具有高集成度和灵活性，能够满足网络的各种需求。
Zynq采用双核处理器子系统和高性能低功耗可编程逻辑，能够帮助设备厂商轻松应对其在努力服务于网络运营商时遇到的各种挑战。不管设备是针对远程无线电、天线集成无线电还是有源天线，Zynq EPP均能提供无与伦比高性能，打造出具有最高灵活性、最高集成度和最低总成本、功耗和重量的产品。
如需了解赛灵思Zynq EPP产品的更多信息，敬请访问： http://www.xilinx.com/cn/products/silicon-devices/epp/zynq-7000/index.htm 。
除了FPGA和EPP器件，赛灵思还以DUC/DDC、CFR和DPD信号处理解决方案以及支持OBSAI/CPRI和JESD204[A/B]协议标准的连接解决方案的形式提供用于无线电应用的高性能IP核。更多信息敬请访问:http://www.xilinx.com/cn/applications/wireless-communications/index.htm 。

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