RF Front End Architecturesin kehitys

Radiotaajuus (RF) etupää on pitkään ollut pullonkaula langattoman järjestelmän suorituskyvyn kannalta. Perinteiset mallit erottavat jokaisen toiminnon . Suodatus, vahvistin, sekoittaminen ja muuntaminen. Tämä segmentointi pakottaa tekemään kompromissit melun, lineaarisuuden ja tehonkulutuksen välillä, samalla kun se vaatii tiukkaa impedanssin yhteensovittamista ja huolellista taulun asettelua loisvaikutusten minimoimiseksi. 4G LTE-järjestelmille, joiden kanavakaistanleveys on jopa 20 MHz, nämä lähestymistavat olivat toimivia, mutta 5G NR tuo operaattorin aggregaation yli 100 MHz:n kaistanleveydellä ja huippunopeuksilla mitattuna gigabittien sekuntitasolla. Analoginen signaaliketju muuttuu yhä hauraammaksi taajuus- ja kaistanleveysasteikossa.

Useiden toimintojen integrointi yhteen piin die- tai samaan pakettiin on tullut välttämättömäksi. Järjestelmän päälle -siru (SEC) ja järjestelmän sisään -paketti (SiP) -lähestymistavat yhdistävät nyt matalan melun vahvistimet (LNA), alasmuuttajat, muuttuvat voittovaiheet ja analogisista digitaalisiin muuntimiin (ADC) yhdellä alustalla. Tämä integrointi kutistaa fyysistä jalanjälkeä yli 50% verrattuna erillisiin sovelluksiin ja vähentää samalla vaiheiden välisiä hävikkejä ja parantaa melutehokkuutta. Avaintekijä on ADC-nopeuden ja -resoluution dramaattinen paraneminen, jonka edistyneet CMOS-prosessisolmut mahdollistavat, jolloin analoginen digitaalinen raja kulkee lähemmäksi antennia.

Integroitujen ADC:iden kriittinen rooli nykyaikaisissa RF Front Ends -päätteissä

Integroidut ADC-järjestelmät mahdollistavat RF-signaalien digitoinnin yhä suuremmilla välitaajuuksilla (IF) tai jopa suoraan kantoaaltotaajuudella. Suorat RF-näytteenottoarkkitehtuurit poistavat monivaiheisten alasajovaiheiden tarpeen, vähentävät komponenttien määrää ja paikallista oskillaattoria (LO) monimutkaista. Esimerkiksi 5G-tukiasema voi ottaa 3,6 GHz:n kantoaaltolaitteen suoraan käyttäen 12-bittistä ADC:tä, joka toimii 4,5 GS/s:llä, ohittaen perinteisen kaksivaiheisen superheterodyniketjun. Tämä yksinkertaistaminen alentaa vaihemelua, vähentää kuvan hylkimisongelmia ja mahdollistaa täysin digitaalisen säteenmuodostuksen, jossa on alkuvaihe ja amplitudikontrolli.

Korkean nopeuden, korkean resoluution ADC:t ovat linchpin. [ LPPDR5[ -pohjaiset dataliitännät tukevat nyt 24 Gp:n siirtonopeutta kaistaa kohti, jolloin raaka-ainenäyte voidaan virtata FPGA:ihin tai digitaalisiin prosessoriin ilman pullonkauloja. Nykyaikaiset ADC:t saavuttavat tehokkaan määrän bittiä (ENOB) yli 11 bittiä 3 GS/s:llä, mikä tarjoaa dynaamisen alueen, jota tarvitaan heikkojen signaalien havaitsemiseksi voimakkaiden interferonien vieressä. Näytteenottonopeuden ja resoluution välinen vaihto on edelleen suunnittelupaino, jossa aika-interleksoitu arkkitehtuurit työntävät yli 10 GS/s:n kokonaismuunnosnopeuksia säilyttäen samalla 8-bittisen ENOB:n ultra-laajakaistasovelluksissa milliaaltoaaltoaaltona (mmWave) 5G.

5G:n ja sen ulkopuolisten keskeisten ADC-parametrien

  • Kaapelinleveys:[: Syöttökaistanleveyden on oltava yli 10 GHz sub-6 GHz:n ja mmWave-taajuudet ilman signaalin hajoamista.
  • Dynaamialue:[] Yli 80 dBc:n ystävällinen dynaaminen alue (SFDR) estää intermodaation vääristymän, joka ei häiritse vastaanottimen toimintaa.
  • Power efficiency:[] Alle 10 fJ:n/konversio-vaiheen ansiokuva on välttämätön massiivisille MIMO-järjestelmille, joissa on satoja elementtejä.
  • Latenssi:[ 10 ns:n muunnosviive tukee matalan viiveen sovelluksia, kuten autonomia ajo- ja teollisuusvalvontaa.

Kotouttamishaasteet ja lieventämisstrategiat

Lupauksesta huolimatta korkean suorituskyvyn ADC-levyjen ja RF-analogisten lohkojen yhdistäminen asettaa valtavia haasteita. [Kotimainen hallinta[ on ensiarvoisen tärkeää: 64-kanavainen mmWave-sädeformer kuluttaa 1 W per elementti tuottaa 64 W lämpöä kompaktissa moduulissa. Pii-injektit sulautetut mikrofluidikanavat tai kehittyneet lämpöliitäntämateriaalit (TIM) ovat käytössä alle 125 °C:n liitäntälämpötilojen ylläpitämiseksi. Vesijäähdytettyjä kylmälevyjä, jotka ovat yleisiä datakeskusmalleissa, esiintyy nyt ulkona tukiaseman alta.

]Lineaarisuus ja melun kytkentä[[] ovat yhtä kriittisiä. Digitaalipiirit, jotka kytkevät gigahertsinopeuksilla, syöttävät melun aaltoihin, jotka kytkeytyvät substraatin kautta herkiin analogisiin lähteisiin. Syvä juoksuhautaeristys, suojarenkaat ja erilliset sähköalueet, joissa on matalan pudotuksen säätimiä (LDOS), lieventävät tätä. Viimeaikaiset tuotantomallit käyttävät täysin erottavia signaalipolkuja ja Differentiaali-ero-ero-ADC-syötevaiheita vaimentaakseen yhteistä tilaa vähintään 40 dB:llä.

Kello jitter[] hajottaa SNR:n suoraan korkeilla kantotaajuuksilla. 5 GHz:n kantoaallon aikana 100 femtosekunttia RMS:n jitter-jäljitintä rajoittaa SNR:n noin 55 dB:iin. Integroidut vaihelukitut silmukkat (PLL:t) murto-N-arkkitehtuurilla ja ultra-low jitter VCO:illa, jotka usein kulkevat ulkoisesta 10 MHz:n viiteestä, saavuttavat nyt jitter-arvon alle 50 fs 28 nm:n CMOS:ssä. Ulkoiset kellonpuhdistuspiirit, joissa käytetään pinta-akustista aaltoa (SAW) -suodattimia, ovat edelleen yleisiä vaativimmissa satelliittiviestintäsovelluksissa.

Kalibrointitekniikat

Valmistusvaihtelut ja lämpötilan vaihtelu voivat aiheuttaa taustamelun arviointia käyttäviä virheitä, offset-epäsuhtaisuuksia ja epälineaarisia ADC-suorituskykyä heikentäviä epälineaarisia algoritmit. Digitaaliset kalibrointialgoritmit, jotka toimivat upotetulla mikro-ohjaimella, säätävät jatkuvasti ADC-vertailujännitteet, ajoituksen kierrokset ja tuloimmodenssia. [Adaptive blind clinet calibration] käyttäen taustamelun arviointia voivat korjata välilaskun epäsuhtaisuudet keskeyttämättä signaalin kulkua. Mittattujen tietojen avulla koulutetut koneoppimismallit ennustavat lämpötilan ja esikompensoivat digitaalisten esivääristymien (DTD) silmukkansa avulla ja parantaa lineaarisuutta 10 dB:lla 100 °C:n alueella. Nämä tekniikat on osoitettu [Analogisilla laitteilla .

Kehittyvä teknologia ja materiaalit

Silikoni germanium (SiGe) BiCMOS prosessit tarjoavat makean paikan integroitujen RF etupäät, tarjoavat heterologinen bipolaarinen transistorit (HBT) fT yli 300 GHz rinnalla CMOS digitaalinen ohjaus. SiGe saavuttaa ylivoimainen lineaarisuus ja vähemmän välkkyä melua verrattuna puhdasta CMOS kustannuksella suurempi teho tiheys. Gallium nitride (GaN) piialustojen käytetään yhä enemmän tehovahvistin vaiheissa ennen ADC, käsittely jopa 50 W ulostulon säilyttäen viemärin hyötysuhde yli 65% mm aallontaajuudella. GAN...

Silicon fotoniikka[ on kehittymässä sirujen välistä viestintää varten eikä suoraan datan muuntamista varten. Piialustaan integroidut nopeat optiset muuntimet ja fotodetektorit voivat siirtää ADC-dataa 100 Gbps:llä kaistaa kohti, mikä vähentää sähkökytkentöhäviöitä ja mahdollistaa massiivisen rinnakkaisuuden. Vuonna 2024 Intel[ osoitti optisen linkin, joka vähensi tehoa bittiä kohti yhteen pJ:ään, kymmenen kertaa vähemmän kuin parhaat sähköratkaisut.

]Heterogeneous integraatio[[] käyttäen kehittyneitä pakkauksia (3D pinotut IC-levyt, interposers, ja upotetut dies) mahdollistaa parhaiden prosessitekniikoiden yhdistämisen kunkin lohkon osalta: GAN PA, SiGe for LNA ja mikseri, ja kehittyneet CMOS ADC-ja digitaalinen logiikka. Tämä lähestymistapa kiihtyy ottamalla käyttöön tuulettimen pois päältä kiekko-tason pakkaus (FOWLP) ] Qualcomm[ niiden 5G RF etupään moduuleihin, vähentäen moduulin paksuus alle 0,8 mm älypuhelin integrointi.

Järjestelmän tason hyödyt 5G:lle ja sen jälkeen

Korkeatehoisten ADC-järjestelmien integrointi RF-etupäähän mahdollistaa [massiivisen MIMO[:n 64 tai 128 antennielementtien yhdistämisen yhteen tukiasemapaneeliin. Jokainen elementti voidaan digitalisoida itsenäisesti, jolloin digitaalinen säteenmuodostus voi luoda useita samanaikaisia säteitä, jotka palvelevat eri käyttäjiä. Tämä spatiaalinen multipleksointi moninkertaistaa solun kapasiteetin 4 x 8 x verrattuna analogiseen säteenmuodostukseen. Latenssi muuntamisesta valokertoimen päivitystipat alle 1 mikrosekunnin, mikä tukee suljettujen säteiden jäljittämistä korkea-liikkuville käyttäjille.

kantajayhdistelmissä[] yksi integroitu RF-ADC-moduuli voi digitoida jopa kahdeksan komponenttialusta, jotka ovat jakautuneet ala- ja mmWave-taajuuksille samanaikaisesti. Advanced digital down-converter (DDC) in the ADC provide flexible channel filter and frequency translation, displant multiple analogical downconverters. Tämä vähentää laskutus-of-absoluuttisia kustannuksia 30% 5G NR-tukiasemilla viimeaikaisten teollisuusanalyysien mukaan.

Tulevaisuuden Suunnat: 5G:n ja 6G:n välillä

ADC-näytteenottonopeus on yli 100 GS/s, ja sen on oltava vähintään 8-bittinen, jotta se voi kaapata usean GHz-heikkokaistan. Aikalejeerin[] ADC:t, jotka käyttävät satoja ala-ADC:itä kalibrointia käyttäen, ovat osoittaneet 64 GS/s:ää tutkimusprototyypeissä, mutta tehonkulutus on edelleen yli 5 W/muunnin . ]Photonic-avusteisilla ADC[ -arkkitehtuurilla, joka käyttää optista näytteenottoa jitterin vähentämiseksi ja kaistanleveyden laajentamiseksi, ei voida hyväksyä, sillä se muuntaa optisiapulsseja suoraan digitaalisiin sanoihin vertailuaineiden avulla.

]Selvitettävä RF etupäät[] käyttäen viritettyjä passiivisia (ferrosähköisiä materiaaleja, MEMS-kytkimet) ja ohjelmiston määrittelemää kalibrointia mahdollistaa yhden laitteistoalustan, joka tukee 4G, 5G, Wi-Fi 7 ja tulevia 6G-taajuuksia ilman silooituja siruja. Integroidut ADC-laitteet, joissa on sisäänrakennettu itsetestaus (BIST) ja koneoppimiseen perustuva viritys, säätävät automaattisesti voiton, lineaarisuuden ja suodattavat ympäristöolosuhteisiin, yksinkertaistavat dramaattisesti verkon käyttöönottoa ja ylläpitoa.

Kehittyneiden piiprosessien, uuden pakkausten ja AI-ohjatun kalibroinnin yhtymäkohta ajaa paradigman muutosta RF-etupään suunnittelussa. Integroidut ADC-järjestelmät eivät ole enää jälkiavain, vaan keskeinen elementti, joka mahdollistaa digitaaliset antennirakenteet ja tulevaisuuden langattomien verkkojen äärikaistanleveydet. Kuten [ Ericsson[] toteaa 6G-radiosuunnittelun valkoisessa paperissa, siirtymisen integroitujen muuntimien kanssa olevaan all-digitaaliseen antenniliitäntään odotetaan olevan seuraavan sukupolven ilmarajapintaa kuvaava ominaisuus. Seuraavat viisi vuotta näkevät näiden teknologioiden siirtyvän tutkimuslaboratorioista volyymituotantoon, muuttaen sen, miten yhdistämme.