Интеграция Adcs в инфраструктуру 5g для повышения пропускной способности данных

Введение в интеграцию ADC в 5G-системы

Развертывание беспроводных сетей пятого поколения (5G) открыло эру беспрецедентного подключения, многообещающих скоростей передачи данных, превышающих 10 Гбит/с, сверхнадежных коммуникаций с низкой задержкой (URLLC) и массовых коммуникаций машинного типа (mMTC). Для реализации этих амбициозных целей производительности каждая подсистема в сети радиодоступа (RAN) должна работать с максимальной эффективностью. Среди наиболее важных компонентов - аналоговые-цифровые преобразователи (ADC), которые служат мостом между физическим аналоговым миром радиоволн и цифровой областью обработки базовых диапазонов. Интеграция высокопроизводительных ADC непосредственно в инфраструктуру 5G - это не просто постепенное улучшение; это фундаментальный активатор передовых методов обработки сигналов, которые определяют 5G и его эволюцию в сторону 6G.

Современные базовые станции 5G, особенно те, которые используют массивы с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO), требуют десятков или даже сотен одновременных цепей приема. Каждая цепочка требует ADC, способного отбирать широкополосные сигналы со скоростью гига-образец за секунду (GSPS), сохраняя при этом высокое эффективное количество битов (ENOB). В этой статье рассматриваются технические императивы, преимущества, проблемы и будущие направления внедрения ADC в инфраструктуру 5G, с акцентом на оптимизацию пропускной способности данных, задержки и спектральной эффективности.

Критическая роль ADC в архитектуре сетей 5G

От аналогового РЧ до цифрового бейсбенда

В любом беспроводном приемнике антенна захватывает непрерывно-временной аналоговый сигнал, модулируемый на несущей частоте. Этот сигнал должен быть понижаемо преобразован, отфильтрован, а затем оцифрован до того, как процессор базовой полосы сможет демодулировать и декодировать информацию. АЦП выполняет этот заключительный этап преобразования. В 5G полосы пропускания сигнала значительно шире, чем в предыдущих поколениях. Для частот суб-6 ГГц (FR1) полосы пропускания канала могут достигать 100 МГц, в то время как в миллиметровых диапазонах волн (FR2) отдельные компонентные носители могут иметь ширину 400 МГц, при агрегации несущих далее расширяется занимаемый спектр. Для оцифровки таких сигналов без запятнания или чрезмерного шума квантования необходимы высокоскоростные АЦП со скоростями дискретизации в диапазоне нескольких GSPS.

Формирование луча и пространственная обработка

Массивные системы MIMO полагаются на фазированные антенны лучей, которые управляют лучами в электронном виде, регулируя фазу и амплитуду сигналов на каждом элементе. Цифровое формирование луча, которое обеспечивает наибольшую гибкость и производительность, требует выделенного ADC для каждого элемента антенны или подкатегории. Без ADC с высоким разрешением, формирующие луч веса, вычисленные цифровым процессором, будут деградировать по ошибкам квантования, уменьшая усиление массива и увеличивая помехи. Таким образом, производительность ADC непосредственно влияет на пространственный мультиплексирующий коэффициент усиления и общую емкость системы. Исследования от IEEE Communications Society показывают, что отношение сигнал-к-квантизации-шум (SQNR) ADC должно превышать требуемое отношение сигнал-помеха-плюс-шум (SINR) по меньшей мере на 6 дБ, чтобы избежать ухудшения производительности формирования луча.

Преимущества высокопроизводительной интеграции ADC

Расширенная пропускная способность данных

Наиболее прямым преимуществом интеграции передовых ADC в инфраструктуру 5G является улучшение пропускной способности исходных данных. Более высокое разрешение и более быстрые скорости выборки позволяют процессору базовой полосы захватывать больше информации из принятого сигнала, тем самым поддерживая схемы модуляции более высокого порядка, такие как 256-QAM и 1024-QAM. Например, ADC с 12-битной ENOB при 2 GSPS теоретически может поддерживать спектральную эффективность более 30 б/с/Гц в сочетании с соответствующим кодированием коррекции ошибок. В практических развертываниях прирост пропускной способности от улучшений ADC усиливается пространственным измерением: в массивной системе MIMO 64×64 улучшение 1 дБ в ADC SNR может перевести на увеличение совокупной пропускной способности ячейки на несколько сотен Мбит/с.

Уменьшение задержки для URLLC

Низкая задержка является отличительной чертой 5G, с услугами URLLC, ориентированными на время туда и обратно 1 мс или менее. АЦП, которые включают в себя трубопроводные или последовательные архитектуры регистра приближения (SAR) с низкой задержкой преобразования, уменьшают время от выхода антенны до выхода в базовой полосе. Кроме того, интеграция АЦП ближе к антенне (т.е. прямая выборка радиочастот) устраняет необходимость в нескольких промежуточных частотных стадиях и связанной с ними задержке. Эта архитектурная оптимизация имеет важное значение для критически важных приложений, таких как автономное управление транспортным средством, промышленная автоматизация и удаленная хирургия.

Улучшение качества сигнала и динамический диапазон

Сети 5G должны работать во все более переполненных спектральных средах. Смежные помехи канала, сигналы блокировщика и шум в диапазоне ухудшают качество желаемого сигнала. АЦП с высоким динамическим диапазоном (SFDR) выше 80 дБ могут смягчить эти эффекты, точно оцифровывая как слабые, так и сильные компоненты сигнала без сжатия. Эта способность особенно важна в сценариях на клеточном уровне, где принятая мощность сигнала может быть на десятки дБ ниже уровня помех. Передовые методы дитеринга и топологии формирования шума (например, модуляторы дельта-сигма непрерывного времени) еще больше расширяют полезный динамический диапазон, уменьшая потребность в дорогих и энергоемких аналоговых фильтрах.

Создание массивных MIMO и полностью цифровых массивов

Массивный MIMO является краеугольным камнем увеличения пропускной способности 5G. Теоретически добавление большего количества антенн увеличивает спектральную эффективность линейно с количеством элементов, но только если каждый путь антенны оцифрован с достаточной точностью. Гибридные лучеобразующие архитектуры, которые разделяют ADC среди нескольких элементов, снижают стоимость, но жертвуют гибкостью и производительностью. Полное цифровое лучеобразование, где каждый элемент имеет свой собственный выделенный ADC, предлагает самую высокую емкость. Достижения в технологии CMOS позволили интегрировать десятки ADC с уменьшенной мощностью на одном кремниевом кристалле, что делает полностью цифровые массивы практичными для коммерческих базовых станций. Например, современные массивные MIMO-радиостанции 5G от ведущих OEM-производителей теперь включают более 64 параллельных каналов ADC, работающих на 245,76 MSPS с 14-битным разрешением.

Технические проблемы интеграции ADC для 5G

Потребление энергии и тепловое управление

Основным препятствием для повсеместной интеграции ADC в 5G является рассеивание мощности. Высокоскоростные ADC с высоким разрешением обычно потребляют значительную мощность - порядка нескольких сотен милливатт на канал для устройств класса GSPS. При умножении на 64 или 128 каналов в одной базовой станции совокупный бюджет мощности становится существенным. Это не только увеличивает эксплуатационные расходы, но и создает проблемы управления тепловой энергией, особенно в наружных небольших ячейках mmWave, где пассивное охлаждение является единственным вариантом. Поэтому инженеры должны выбирать архитектуры ADC, которые предлагают лучшую величину заслуги (например, fJ / шаг преобразования). Современные SAR ADC с асинхронным часовым механизмом достигают значений FOM ниже 10 fJ / шаг преобразования, что делает их привлекательными для многоканальных приемников 5G.

Jitter и Clock Integrity (альбом)

Джиттер выборки — случайное изменение времени выборки часов — вводит шум, который ограничивает достижимую SNR, особенно на высоких входных частотах. Для сигнала 5G mmWave на 28 ГГц даже 100 фемтосекунд дрожания корневого квадрата (RMS) может ухудшить SNR на 1 дБ. Для поддержания высокого SNR сеть распределения часов должна быть тщательно разработана с помощью PLL с низким фазовым шумом и тщательной компоновкой. Интеграция схемы генерации часов на том же кристалле, что и ADC, может уменьшить дрожание, но вводит подложку шумовой связи, которая требует тщательной изоляции, такой как глубокие N-луночные и защитные кольца.

Ограничения в области и стоимости

Физическая площадь гибких частиц, потребляемая шкалами ADC, как с количеством каналов, так и с разрешением. В массивном MIMO-приемнике с 64 каналами массив ADC может занимать значительную часть области радиочипов, увеличивая стоимость производства. Стратегии System-on-chip (SoC), которые объединяют ADC с цифровыми блоками обработки (например, цифровыми нисходящими преобразователями, FFT-двигателями) в единую интегральную схему, помогают уменьшить общее пространство платы и стоимость счетов за материалы. Однако сочетание чувствительных аналоговых схем и шумной цифровой логики требует тщательного планирования этажа и разделения силовой области.

Обсуждение Bandwidth and Nyquist Zone

Прямые архитектуры радиочастотной выборки, которые устраняют традиционную стадию аналогового нисходящего преобразования, требуют ADC с входной полосой пропускания, простирающейся до нескольких гигагерц. Для несущей нового радио (NR) 5G в полосе n257 (28 ГГц), ADC должен иметь аналоговую входную полосу пропускания по меньшей мере 6 ГГц для покрытия несущей частоты после планирования частоты. Проектирование таких широкополосных входных сетей при сохранении высокой линейности и низкого шума является значительной инженерной задачей. Межпозвоночные архитектуры ADC, где несколько более медленных образцов ADC в порядке разделения времени, могут достигать более высоких скоростей агрегирования выборки, но вводят ложные тона от несоответствий между под-ADC. Алгоритмы калибровки необходимы для подавления этих шпор до приемлемых уровней.

Архитектура ADC подходит для инфраструктуры 5G

АЦП с последовательным регистром приближения (SAR)

SAR ADC стали рабочей лошадкой для многих приложений 5G из-за их превосходной энергоэффективности и компактной площади. Современные конструкции SAR достигают разрешения 12-16 бит при частоте выборки до нескольких GSPS, используя такие методы, как асинхронная логика, емкостное расщепление DAC и формирование шума. Отсутствие линейного усилителя (как в трубопроводных ADC) делает SAR ADC поддающимися нанометровому масштабированию CMOS. Для приложений 5G NR под-6 ГГц SAR ADC часто являются предпочтительным выбором для каждого элемента в массиве MIMO.

Трубопроводные АЦП

Трубопроводные ADC предлагают благоприятный компромисс между скоростью (до нескольких GSPS) и разрешением (12-14 бит). Они широко используются в приемниках базовых станций, которые требуют умеренного динамического диапазона и высокой пропускной способности. Однако их энергопотребление обычно выше, чем у SAR ADC для того же разрешения. Более новые конструкции используют усилители с остатками открытого цикла и цифровую коррекцию для снижения мощности, а некоторые сочетают трубопроводные этапы с SAR-бэкэндом (называемым трубопроводным SAR) для достижения лучшего из обоих миров.

Модуляторы Delta-Sigma

Для узкополосных сигналов 5G или когда требуется очень высокий динамический диапазон (например, для сосуществования с устаревшими системами 4G) привлекательны модуляторы дельта-сигма непрерывного времени (CT-ΔΣ). Они используют перебор и формование шума для выталкивания шума квантования из полосы сигнала, достигая ENOB, превышающего 15 бит. Встроенная антисглаживающая фильтрация снижает потребность во внешних аналоговых фильтрах. Их основное ограничение - ограниченная полоса пропускания сигнала (обычно до нескольких десятков МГц), что делает их непригодными для широкополосных носителей 5G без агрессивного перемешивания.

Временные ADC

Когда требуемая частота выборки превышает скорость одного ADC, несколько ADC могут работать параллельно с пошатнувшимися часами. Усложнение времени может достигать скорости выборки десятков GSPS, что делает его архитектурой выбора для приемников прямой конверсии mmWave. Основным недостатком является генерация несоответствий каналов (зачет, усиление и перекос времени), которые производят ложные тона. Сложные цифровые фоновые калибровочные двигатели необходимы для исправления этих несоответствий в реальном времени, добавляя сложность и мощность.

Интеграция передних концов радио 5G

Прямая выборка РФ против архитектуры Heterodyne

Традиционные гетеродинные приемники понижают частоту радиосигнала до преобразования ADC, требуя микшеров, локальных осцилляторов и фильтров IF. Прямая радиочастотная выборка, с другой стороны, оцифровывает сигнал на RF или на очень низкой IF, устраняя множественные аналоговые стадии. Такой подход уменьшает количество компонентов, упрощает настраиваемость и позволяет использовать программно-определяемую парадигму радио (SDR), где одно и то же оборудование может поддерживать несколько полос 5G через цифровую нисходящую конверсию. Стоимость повышает требования к производительности на передней панели ADC. Для частот mmWave прямая радиочастотная выборка особенно привлекательна, поскольку избегает необходимости в высоколинейных микшерах на миллиметровой волне.

Выделенный ADC на элемент антенны против общего ADC

В массивных системах MIMO выбор между выделением ADC каждому элементу антенны или совместной работой ADC между несколькими элементами посредством аналогового формования луча или обработки подлучей является критическим архитектурным решением. Выделенные ADC (полное цифровое формование луча) предлагают наивысшую гибкость и емкость, но при максимальной стоимости и мощности. Общие ADC уменьшают мощность, но ограничивают пространственные степени свободы и требуют более сложных аналоговых фазовых сдвигателей. Новые методы, такие как гибридное формирование луча с цифровыми подлучами, пытаются достичь баланса, часто используя один ADC на подлуч 4-8 элементов. По мере повышения энергоэффективности ADC тенденция к полностью цифровым реализациям, особенно для массивных MIMO с частотой до 6 ГГц.

Влияние интеграции ADC на производительность сети

Измерение прироста пропускной способности в полевых испытаниях

Недавние полевые испытания, проведенные крупными поставщиками инфраструктуры, показали, что модернизация ADC с 12-битным до 14-битным разрешением в массивных базовых станциях MIMO дает увеличение средней пропускной способности ячеек в реальных условиях помех на 15-20%. Это улучшение связано с возможностью оцифровки более слабых многолучевых компонентов без дополнительного шума квантования, тем самым увеличивая ранг матрицы канала MIMO. Аналогичным образом, было показано, что снижение джиттера ADC с 200 fs до 100 fs RMS на 28 ГГц повышает спектральную эффективность примерно на 7% в сценариях с высоким доплером (например, скорости транспортных средств).

Энергоэффективность за бит

Энергоэффективность всего приемника базовой станции часто количественно определяется в наноджоулях на бит (nJ/bit). При интеграции маломощных ADC современные массивные радиостанции MIMO 5G достигают эффективности ниже 10 нДж/бит для 64-канального приемника при совокупной пропускной способности в 1 Гбит/с. Текущие исследования, направленные на суб-1 нДж/бит для систем 6G, потребуют ADC с FOM ниже 1 fJ/стадией преобразования, цель, которая может быть достигнута с помощью передовых технологий устройств, таких как транзисторы finFET и шлюз-все-в-круге (GAA).

Будущие направления: эволюция ADC к 6G

Выше 100 ГГц: Терагерцевые коммуникации

Следующий рубеж для беспроводной связи лежит в полосах субтерагерцов (100-300 ГГц) и терагерцов (0,3-3 ТГц). На этих частотах полоса пропускания сигнала может превышать 10 ГГц, и достижение адекватного разрешения с помощью текущей технологии ADC чрезвычайно сложно. Исследователи изучают альтернативные подходы, такие как фотонные ADC, которые используют оптическую выборку для достижения джиттера субпикосекундной апертуры и методы сжатия смешанного сигнала, которые снижают требуемую скорость выборки, используя разреженность сигнала.

AI-усовершенствованная калибровка и контроль ADC

Алгоритмы машинного обучения все чаще используются для оптимизации производительности ADC в реальном времени. Нейронные сети могут прогнозировать оптимальное смещение, калибровать несоответствие во временных многослойных массивах и даже выполнять компенсацию нелинейности. Интеграция таких двигателей ИИ непосредственно на том же чипе, что и массив ADC, позволит базовым станциям 5G и 6G автономно адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды и интерференционным моделям.

Интеграция с цифровым предварительным удалением (DPD)

В передатчиках высокоскоростные АЦП также используются в петлях обратной связи для цифрового пре-искажения (DPD), что линеаризует усилители мощности и повышает эффективность передатчика. Будущие радиоархитектуры могут объединить приемник и АЦП ДПД в единый общий массив, что дополнительно сэкономит стоимость и пространство на плате. Эта конвергенция предъявляет еще более строгие требования к линейности и пропускной способности АЦП, но потенциальные преимущества на системном уровне значительны.

Практические соображения по развертыванию инфраструктуры 5G с поддержкой ADC

Цепочка поставок и квалификация

Выбор правильного ADC для конструкции базовой станции 5G требует тщательной оценки параметров таблицы данных в реалистичных условиях, включая изменения температуры и напряжения. ADC должны соответствовать строгим стандартам надежности, таким как JEDEC JESD47 и Telcordia GR-468 для наружного телекоммуникационного оборудования. Кроме того, цепочка поставок для высокопроизводительных ADC сосредоточена среди нескольких специализированных поставщиков, и время выполнения может быть длительным. Сетевые операторы и OEM-производители должны тесно сотрудничать с поставщиками ADC для обеспечения распределения для развертывания объема.

Тестирование и валидация

Характеристика производительности ADC в контексте 5G требует тестовых установок, способных генерировать модулированные формы волн с правильными соотношениями мощности пик-средний (PAPR) и спектральными характеристиками. измерения EVM (величина вектора ошибки) на основе одного ресурса-блока более информативны, чем традиционные однотонные метрики. Автоматизированное испытательное оборудование (ATE), используемое для производственных испытаний, также должно быть способно обрабатывать высокие скорости передачи данных от многоканальных ADC, часто требующих высокоскоростных последовательных интерфейсов, таких как JESD204B / C.

Со-дизайн с цифровым фронт-эндом

Оптимизация цифровой цепочки после обработки в сочетании с характеристиками ADC может дать существенный прирост производительности. Например, использование цифровой фильтрации для снижения шума вне диапазона до децимации может ослабить требования ADC к сглаживанию. Адаптивное выравнивание может компенсировать откат частотной реакции ADC. Тесное сотрудничество между аналоговыми проектировщиками и инженерами по обработке цифровых сигналов имеет важное значение для максимизации производительности системы на уровне интегрированной инфраструктуры 5G ADC.

ADC как краеугольный камень эволюции 5G

Интеграция аналоговых цифровых преобразователей в инфраструктуру 5G не является периферийным улучшением, а является центральным требованием для достижения скачка пропускной способности данных, снижения задержки и спектральной эффективности, которая определяет стандарт. От обеспечения полностью цифровых массивов MIMO до поддержки прямой выборки RF на частотах mmWave, ADC определяют верхнюю границу производительности приемника. В то время как проблемы, связанные с мощностью, джиттером и стоимостью, сохраняются, быстрые темпы инноваций в полупроводниках - включая SAR, формирующие шум, архитектуру с временным интервалом и калибровку с использованием ИИ - неуклонно преодолевают эти барьеры. По мере того, как отрасль движется к 6G и еще более высоким частотным диапазонам, ADC останется ключевым компонентом, развивающимся параллельно с антенными системами, процессорами базовой полосы и сетевыми протоколами. Сетевые операторы и поставщики оборудования, которые отдают приоритет интеграции ADC в своих дорожных картах, будут лучше всего позиционироваться для обеспечения скорости передачи данных и пользовательского опыта следующего десятилетия.

Для дальнейшего чтения рассмотрим следующие внешние ресурсы: IEEE: Требования ADC для 5G Massive MIMO, Аналоговые устройства: 5G mmWave Infrastructure и ADC Technology, Техасские приборы: высокоскоростные ADC для базовых станций 5G.