Эволюция фронт-энд архитектур РФ

Передняя часть радиочастот (RF) уже давно является узким местом в производительности беспроводной системы. Традиционные конструкции разделяют каждую функцию - фильтрацию, усиление, смешивание и преобразование - на отдельные, дискретные компоненты. Эта сегментация вынуждает к компромиссам между фигурой шума, линейностью и потреблением энергии, а также требует тесного согласования импеданса и тщательной компоновки платы, чтобы минимизировать паразитные эффекты. Для систем 4G LTE с полосой пропускания канала до 20 МГц эти подходы были работоспособными, но 5G NR вводит агрегацию несущих с полосой пропускания, превышающей 100 МГц, и пиковые скорости, измеренные в гигабитах в секунду. Аналоговые сигнальные цепи становятся все более хрупкими по мере частоты и шкалы пропускной способности.

Интеграция нескольких функций на один кремниевый кристалл или в пределах одной упаковки стала императивом. Подходы System-on-chip (SoC) и System-in-package (SiP) теперь объединяют усилители с низким уровнем шума (LNA), преобразователи с переменным коэффициентом усиления и аналого-цифровые преобразователи (ADC) на одной подложке. Эта интеграция сокращает физический след более чем на 50% по сравнению с дискретными реализациями, одновременно уменьшая межэтапные потери и улучшая производительность шума. Ключевым фактором является резкое улучшение скорости и разрешения ADC, что стало возможным благодаря передовым узлам процесса CMOS, позволяя аналого-цифровой границе двигаться ближе к антенне.

Критическая роль интегрированных АЦП в современных РФ фронтах заканчивается

Интегрированные АЦП позволяют оцифровывать радиочастотные сигналы на все более высоких промежуточных частотах (IF) или даже непосредственно на несущей частоте. Прямые архитектуры радиочастотной выборки устраняют необходимость в нескольких аналоговых этапах нисходящего преобразования, уменьшая количество компонентов и сложность локального осциллятора (LO). Например, базовая станция 5G может отбирать несущую 3,6 ГГц непосредственно с использованием 12-битного АЦП, работающего на 4,5 ГС/с, минуя традиционную двухступенчатую цепочку супергетеродина. Это упрощение снижает фазовый шум, уменьшает проблемы отторжения изображения и позволяет полностью цифровое формирование луча с фазой элемента и амплитудным управлением.

Высокоскоростные ADC высокого разрешения являются основой. LPDDR5 на основе LPDDR5 в настоящее время поддерживают скорость передачи данных 24 Гбит/с на полосу, позволяя исходным образцам данных передаваться на FPGA или цифровые процессоры без узких мест. Современные ADC достигают эффективного количества битов (ENOB) более 11 бит при 3 ГС/с, обеспечивая динамический диапазон, необходимый для обнаружения слабых сигналов, смежных с сильными интерференторами. компромисс между скоростью выборки и разрешением остается фокусом дизайна, с временными архитектурами, толкающими совокупные коэффициенты преобразования за 10 ГС/с при сохранении 8-битного ENOB для ультраширокополосных приложений в миллиметровом диапазоне (mmWave) 5G.

Ключевые параметры ADC для 5G и выше

  • Ширина: Вводная полоса должна превышать 10 ГГц для поддержки под-6 ГГц и несущих mmWave без ухудшения сигнала.
  • Динамический диапазон: Безотказный динамический диапазон (SFDR) выше 80 дБк предотвращает искажение интермодуляции от десенсибилизации приемника.
  • Эффективность питания: Показатель качества (FoM) ниже 10 fJ/шаг преобразования необходим для массивных MIMO-массивов с сотнями элементов.
  • Задержка: Задержка преобразования при 10 нс поддерживает приложения с низкой задержкой, такие как автономное вождение и промышленный контроль.

Интеграционные вызовы и стратегии смягчения

Несмотря на обещание, совместная интеграция высокопроизводительных АЦП с аналоговыми блоками RF представляет собой огромные проблемы. Термическое управление имеет первостепенное значение: 64-канальный ближнелучевой генератор с напряжением 1 Вт на элемент производит 64 Вт тепла в компактном модуле. Кремниевые интерпозиторы со встроенными микрофлюидными каналами или передовыми материалами теплового интерфейса (TIM) развертываются для поддержания температуры соединения ниже 125 ° C. Холодные пластины с водяным охлаждением, распространенные в конструкциях центров обработки данных, теперь появляются в корпусах наружных базовых станций.

Грамотность и шумоподключение одинаково важны. Цифровые схемы, переключающиеся со скоростью гигагерца, вводят переключающий шум в чувствительные аналоговые источники через подложку. Глубокая изоляция траншей, защитные кольца и отдельные энергетические домены с регуляторами с низким уровнем выпадения (LDO) смягчают это. Недавние производственные проекты используют полностью дифференциальные пути сигнала и этапы ввода дифференциального АЦП для подавления шума в обычном режиме на 40 дБ или более.

Часовое джиттер непосредственно ухудшает SNR на высоких несущих частотах. Для несущей 5 ГГц 100 фемтосекунд RMS джиттера ограничивает SNR примерно до 55 дБ. Интегрированные фазовые петли (PLL) с архитектурой дробного N и сверхнизким джиттером VCO, часто работающие от внешней ссылки 10 МГц, теперь достигают джиттера ниже 50 fs в 28 нм CMOS. Внешние схемы очистки часов с использованием фильтров поверхностных акустических волн (SAW) по-прежнему распространены для самых требовательных приложений спутниковой связи.

Передовые методы калибровки

Изменения в производстве и дрейф температуры могут вызывать ошибки усиления, смещения несоответствий и нелинейности, которые ухудшают производительность ADC. Алгоритмы цифровой калибровки, работающие на встроенном микроконтроллере, непрерывно регулируют опорные напряжения ADC, перекосы времени и импеданс ввода. Адаптивная слепая калибровка с использованием оценки фонового шума может исправить перемежающиеся несоответствия, не прерывая путь сигнала. Модели машинного обучения, обученные на измеренных данных, предсказывают дрейф, вызванный температурой, и предварительно компенсируют через цифровые циклы преискажения (DPD), улучшая линейность на 10 дБ в диапазоне 100°C. Эти методы были продемонстрированы Аналоговые устройства в своих последних семействах RF ADC.

Новые технологии и материалы

Процессы BiCMOS из кремния германия (SiGe) предлагают сладкое место для интегрированных передних концов RF, обеспечивая гетеропереходные биполярные транзисторы (HBT) с fT, превышающим 300 ГГц, наряду с CMOS для цифрового управления. SiGe достигает превосходной линейности и более низкого шума мерцания по сравнению с чистым CMOS за счет более высокой плотности мощности. Нитрид галлия (GaN) на кремниевых подложках все чаще используется для стадий усилителя мощности до ADC, обрабатывая выход до 50 Вт при сохранении эффективности стока выше 65% на частотах mmWave. Широкий диапазон GaN уменьшает токи утечки и улучшает теплопроводность, что делает его идеальным для наружных 5G небольших ячеек.

Силиконовая фотоника появляется для межчиповой связи, а не для прямого преобразования данных. Высокоскоростные оптические модуляторы и фотоприемники, интегрированные на кремниевой подложке, могут передавать данные ADC со скоростью 100 Гбит/с на полосу, снижая потери электрического межсоединения и обеспечивая массовую параллелизацию.В 2024 году Intel продемонстрировала оптическую связь, которая снижала мощность на бит до 1 пДж, в десять раз ниже, чем лучшие электрические решения.

Гетерогенная интеграция с использованием усовершенствованной упаковки (3D-складываемых ИС, интерпосторов и встроенных матриц) позволяет комбинировать лучшие технологические технологии для каждого блока: GaN для PA, SiGe для LNA и микшера, а также передовые CMOS для ADC и цифровой логики. Этот подход ускоряется с принятием упаковки на уровне вентилятора (FOWLP) по Qualcomm в своих фронтальных модулях 5G RF, уменьшая толщину модуля до менее 0,8 мм для интеграции смартфонов.

Системные преимущества 5G и выше

Интеграция высокопроизводительных АЦП с передними концами RF позволяет массивному MIMO с 64 или 128 антенными элементами в одной панели базовой станции. Каждый элемент может быть оцифрован независимо, что позволяет цифровому формованию луча создавать несколько одновременных лучей, которые обслуживают разных пользователей. Это пространственное мультиплексирование умножает емкость ячейки на 4x до 8x по сравнению с аналоговым формированием луча. Задержка от преобразования до обновления коэффициента луча падает ниже 1 микросекунды, поддерживая отслеживание луча замкнутого цикла для пользователей с высокой мобильностью.

Для сценариев агрегации несущих , один интегрированный модуль RF-ADC может оцифровывать до восьми компонентных несущих, распределенных по диапазонам суб-6 ГГц и ммВава одновременно. Расширенные цифровые нисходящие преобразователи (DDC) в ADC обеспечивают гибкую фильтрацию каналов и частотный перевод, устраняя несколько аналоговых нисходящих преобразователей. Это снижает затраты на счета-материалы на 30% в базовых станциях 5G NR согласно последним отраслевым анализам.

Будущие направления: за 5G в 6G

Глядя на 6G, который, как ожидается, будет работать в диапазоне суб-THz (100-300 ГГц), проблемы становятся более крутыми. Скорости отбора проб ADC должны превышать 100 ГС / с по меньшей мере 8-битным разрешением для захвата мгновенной полосы пропускания много-ГГц. Смешанные во времени АЦП, использующие сотни суб-ADC с калибровкой, продемонстрировали 64 ГС / с в исследовательских прототипах, но энергопотребление остается выше 5 Вт на преобразователь - неприемлемо для пользовательского оборудования. Архитектура с оптическим отбором проб для уменьшения джиттера и расширения полосы пропускания может преодолеть энергетический барьер, преобразуя оптические импульсы непосредственно в цифровые слова через массив компараторов. Несколько университетских лабораторий показали доказательство концепции на 200 ГС / с суб-10 fJ на шаг преобразования.

Перенастраиваемые передние части RF с использованием настраиваемых пассивных устройств (ферроэлектрические материалы, коммутаторы MEMS) и программно-определяемой калибровки позволят единой аппаратной платформе поддерживать 4G, 5G, Wi-Fi 7 и будущие 6G-диапазоны без изолированных наборов микросхем. Интегрированные АЦП со встроенным самотестом (BIST) и настройкой на основе машинного обучения автоматически регулируют коэффициент усиления, линейность и фильтрацию в условиях окружающей среды, резко упрощая развертывание и обслуживание сети.

Слияние передовых кремниевых процессов, новой упаковки и калибровки на основе ИИ приводит к сдвигу парадигмы в RF фронтальном дизайне. Интегрированные АЦП больше не являются запоздалой мыслью, а центральным элементом, который позволяет использовать цифровые антенные массивы и экстремальные полосы пропускания завтрашних беспроводных сетей. Как отмечает Эрикссон в своей Белой книге по радиотехнике 6G, переход к полностью цифровому интерфейсу антенны с интегрированными преобразователями, как ожидается, станет определяющей характеристикой воздушного интерфейса следующего поколения. В ближайшие пять лет эти технологии перейдут от исследовательских лабораторий к объемному производству, трансформируя то, как мы подключаемся.