革新無線覆蓋：強(qiáng)大的蜂窩DAS集成解決方案

摘要

商業(yè)建筑和體育場館需要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的蜂窩覆蓋，但相關(guān)環(huán)境對信號(hào)接收造成了挑戰(zhàn)。本文詳細(xì)介紹了分布式天線系統(tǒng)(DAS)的綜合解決方案，為在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部擴(kuò)展蜂窩覆蓋范圍和容量帶來了更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)思路。本文概述了高集成度系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多項(xiàng)優(yōu)勢，該設(shè)計(jì)中包含了射頻收發(fā)器以及與之耦合的雙向放大器(BDA)或遠(yuǎn)程訪問單元(RAU)設(shè)備。讀者可以通過仔細(xì)查看草擬的方框圖，更深入地了解解決方案中的多種元素將如何協(xié)同工作。

簡介

商業(yè)建筑和體育場館等現(xiàn)代環(huán)境常需要改進(jìn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，以提供無縫連接體驗(yàn)。然而，如今的大型商業(yè)建筑、醫(yī)院和體育場館常常會(huì)采用厚鋼材、混凝土和節(jié)能玻璃墻，這些材料容易阻礙蜂窩信號(hào)傳輸，導(dǎo)致人員在其中無法獲得良好的手機(jī)信號(hào)。換句話說，加固結(jié)構(gòu)、有色窗戶以及其他建筑材料會(huì)讓建筑物屏蔽射頻信號(hào)1。此外，高層建筑可能會(huì)受到附近蜂窩塔的高水平射頻干擾，這會(huì)進(jìn)一步降低信號(hào)質(zhì)量。當(dāng)狹小空間中的人員過多時(shí)，常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超容量，這也是手機(jī)接收信號(hào)不良的一個(gè)原因。這些因素共同導(dǎo)致了不理想的蜂窩電話接收效果。而集成式DAS解決方案可以在提供優(yōu)質(zhì)蜂窩服務(wù)和加速無線網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

什么是DAS？

DAS是一種室內(nèi)無線增強(qiáng)系統(tǒng)，可為建筑內(nèi)的人員提供可靠的手機(jī)覆蓋。DAS是由在空間中彼此獨(dú)立的天線節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，可擴(kuò)展蜂窩范圍并增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，在高密度室內(nèi)或室外場所實(shí)現(xiàn)出色的蜂窩連接體驗(yàn)。盡管DAS的具體部署方式各不相同，但典型部署可能涉及以下組件的直接連接：施主天線、射頻信號(hào)BDA或增強(qiáng)器、無線運(yùn)營商的基站收發(fā)臺(tái)(BTS)、光纖分配前端、RAU以及建筑物內(nèi)經(jīng)戰(zhàn)略性部署的多個(gè)天花板天線。某些情況下，還需要為每家運(yùn)營商都安裝一個(gè)BTS。

通常，多個(gè)射頻饋送信號(hào)會(huì)被合并，然后傳遞到前端，即主分配單元。施主天線位于建筑物頂部，負(fù)責(zé)發(fā)送信號(hào)和接收來自蜂窩運(yùn)營商的信號(hào)，并通過處于適宜位置的射頻信號(hào)BDA將無線信號(hào)引入建筑物中。前端設(shè)備隨后通過各種光纖電纜向RAU饋送信號(hào)。RAU又通過同軸電纜向天線系統(tǒng)饋送信號(hào)。單個(gè)RAU可以向多個(gè)天花板天線饋送信號(hào)。與蜂窩基站為蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供覆蓋類似，這可以為建筑物內(nèi)的移動(dòng)設(shè)備提供語音和數(shù)據(jù)服務(wù)。圖1顯示了一個(gè)典型的全DAS架構(gòu)。

室內(nèi)無線覆蓋有兩個(gè)主要的改善趨勢：一是僅使用射頻增強(qiáng)器或BDA產(chǎn)品，這些是簡單的信號(hào)中繼器（也稱為無源DAS）；二是使用完整的有源DAS系統(tǒng)，如圖1所示。無源和有源DAS信號(hào)分配系統(tǒng)均可用于改善商業(yè)建筑內(nèi)的無線覆蓋和容量，可根據(jù)實(shí)際情況選用。混合DAS是指同時(shí)包含無源和有源方案的分布式系統(tǒng)。

圖1.混合DAS架構(gòu)

雙向放大器

射頻信號(hào)從施主天線傳播得越遠(yuǎn)，信號(hào)強(qiáng)度就會(huì)越來越弱，原因是長同軸電纜會(huì)帶來衰減。無源DAS可以避免或減輕這種情況，該方案使用了大量的多頻段射頻中繼器來增強(qiáng)或放大并重新驅(qū)動(dòng)信號(hào)。BDA前端包括一個(gè)具有濾波性能的低噪聲放大器(LNA)，有時(shí)還包括自動(dòng)增益控制(AGC)電路。AGC器件專門設(shè)計(jì)用于限制射頻功率水平，以及保護(hù)BDA免受損壞或失真。BDA可同時(shí)放大兩個(gè)方向上的射頻信號(hào)。BDA不會(huì)調(diào)制、修改或以其他方式扭曲實(shí)際射頻信號(hào)。其主要作用在于增強(qiáng)整個(gè)建筑物中的射頻信號(hào)。大多數(shù)BDA模塊設(shè)計(jì)用于同時(shí)放大多個(gè)載波，其使用不需要與運(yùn)營商達(dá)成協(xié)議。圖2所示為高級方框圖，其中包含推薦使用的BDA器件，可用于放大和重播射頻信號(hào)。

DAS遠(yuǎn)程訪問單元

DAS前端設(shè)備負(fù)責(zé)執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，可轉(zhuǎn)換來自一家或多家運(yùn)營商的射頻信號(hào)。這就是為什么每家供應(yīng)商通常需要運(yùn)營商批準(zhǔn)才能安裝有源DAS。將射頻信號(hào)數(shù)字化并將其置于高帶寬光纖電纜上，可使信號(hào)以高帶寬、全強(qiáng)度和非常低的損耗，并跨越更遠(yuǎn)的距離傳輸至整個(gè)商業(yè)建筑中經(jīng)戰(zhàn)略性部署的所有RAU中1。此過程將進(jìn)一步增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾性。

RAU將數(shù)字光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬射頻信號(hào)，并將其饋送到DAS天花板天線。RAU通過同軸電纜連接到遠(yuǎn)端吸頂天線，以實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍和更長的通信距離，讓所有用戶都能享受到出色的蜂窩連接體驗(yàn)。圖1顯示了前端和所有RAU之間的光纖布線。

RAU是DAS中主要的關(guān)鍵功能，有助于擴(kuò)展射頻容量。RAU的主要作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)字到射頻和射頻到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。ADI公司提供了集成度高且靈活性強(qiáng)的射頻收發(fā)器解決方案（如ADRV902x系列），為幫助RAU勝任復(fù)雜任務(wù)帶來了基礎(chǔ)集成電路器件。

圖3顯示了典型DAS RAU的高級框圖。表1列出了一些建議的器件功能和產(chǎn)品型號(hào)。圖中為該平臺(tái)提供了多個(gè)具體的器件建議，但下文將僅重點(diǎn)關(guān)注射頻收發(fā)器、ADRV9029和一些附加電源器件。

圖2.BDA/射頻增強(qiáng)器框圖

圖3.使用ADRV9029射頻收發(fā)器的典型RAU的框圖

表1.RAU設(shè)計(jì)的建議器件

高度集成的零中頻采樣模擬收發(fā)器：ADRV9029

ADRV9029是一款高集成度的零中頻采樣模擬收發(fā)器，能夠合成和數(shù)字化寬帶信號(hào)。通過編程，該器件可用于頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)應(yīng)用。該器件能夠提供DAS蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用所需的性能，尤其是RAU。作為其數(shù)字前端模塊的一部分，該器件具有數(shù)字預(yù)失真(DPD)自適應(yīng)引擎和削峰(CFR)引擎，這兩個(gè)關(guān)鍵功能使其在競爭對手中脫穎而出。如果DAS系統(tǒng)的低延遲要求非常嚴(yán)格，則可以旁路CFR。圖4為ADRV9029的功能框圖。

數(shù)字預(yù)失真功能

DPD功能或特性支持無線系統(tǒng)將其功率放大器(PA)驅(qū)動(dòng)至更接近飽和的狀態(tài)（但不會(huì)使功率放大器飽和），從而在保持線性度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更高效率的功率放大器。也就是說DPD功能通過擴(kuò)展PA的線性工作區(qū)，使RAU實(shí)現(xiàn)更高的功放效率，而且仍然滿足發(fā)射信號(hào)鏈的鄰道泄漏比(ACLR)要求。遠(yuǎn)程DAS節(jié)點(diǎn)中的PA還有助于降低其整體功耗。ADRV9029的觀察接收路徑連接到DPD執(zhí)行器和系數(shù)計(jì)算引擎，以幫助系統(tǒng)的PA高效運(yùn)行。

ADRV9029的DPD算法支持高達(dá)200 MHz的載波帶寬。與使用射頻收發(fā)器和基于FPGA的DPD分立式解決方案相比，將DPD功能集成到ADRV9029中可顯著節(jié)省系統(tǒng)級成本、空間和功耗。如特定應(yīng)用有需要，可以通過GPIO控制完全旁路ADRV9029中的DPD引擎。

將DPD應(yīng)用于20 MHz LTE信號(hào)基帶數(shù)據(jù)后，ACLR（即所分配信道上的發(fā)射功率與相鄰無線電信道中泄漏的功率之比）的性能改進(jìn)如圖5所示。這些功率譜密度圖說明了在應(yīng)用DPD后，由LTE 20 MHz信號(hào)的交調(diào)產(chǎn)物引起的帶外非線性如何降低15 dB至20 dB。

削峰模塊

由于當(dāng)前無線系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的固有特性，信號(hào)可能會(huì)具有很高的峰均功率比(PAPR)，這一現(xiàn)象在正交頻分復(fù)用(OFDM)等多載波波形中尤為明顯，并會(huì)導(dǎo)致降低PA的效率。主要原因是信號(hào)的峰值超出了PA的線性工作范圍。削峰(CFR)方案可確保信號(hào)所需的范圍在功率放大器的線性范圍內(nèi)，并有助于減輕甚至消除系統(tǒng)中PAPR的影響。

ADRV9029帶有板載CFR引擎，該引擎可幫助降低PAPR。通過降低PAPR，RAU的PA可以在更高輸出功率下運(yùn)行，從而提高其在發(fā)射線路中的功率放大器效率。該器件配備了三個(gè)CFR引擎。簡而言之，這個(gè)精密受控的單片平臺(tái)提供了一個(gè)由CFR模塊預(yù)輔助的DPD引擎。正是這種芯片上信號(hào)處理的組合，使得ADRV9029在在保持PA線性度方面占據(jù)了競爭優(yōu)勢。

ADRV9029利用了一種基于脈沖消除技術(shù)的變體來實(shí)現(xiàn)CFR。該方法通過從檢測到的峰值中減去預(yù)先計(jì)算的脈沖，使信號(hào)保持在功率放大器的線性范圍內(nèi)。因此，這需要為每個(gè)載波組合生成并加載脈沖。由于上述和其他因素讓CFR模塊產(chǎn)生了額外的延遲。在大多數(shù)情況下，DAS系統(tǒng)具有嚴(yán)格的延遲要求。在此類情況中，可以簡單地旁路CFR功能。ADRV9026是不帶DPD和CFR的產(chǎn)品系列的成員。

電源

努力實(shí)現(xiàn)盡可能高的誤差矢量幅度(EVM)和鄰道泄漏比(ACLR)等靜態(tài)發(fā)射器性能指標(biāo)后，如果忽視RAU的系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)，可能會(huì)導(dǎo)致與射頻設(shè)計(jì)和仿真工作相關(guān)的所有優(yōu)異成果均付諸東流。在工作期間，ADRV9029的電源電流可能會(huì)有很大變化，尤其是在TDD模式下工作時(shí)。如果不對電源噪聲加以控制，則甚至?xí)孞ESD204B/JESD204C鏈路性能受到影響。

ADI公司開發(fā)了有關(guān)開關(guān)模式電源和封裝的創(chuàng)新技術(shù)，以支持其所有射頻收發(fā)器和其他5G RF SoC器件，例如

ADRV9029。Silent Switcher? 3系列IC具有超低頻輸出噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)、低EMI輻射和高效率等特性。我們推薦在RAU中使用LT8642S、LT8625S和LT8627SP，如圖3中的框圖所示。如需了解完整的Silent Switcher器件產(chǎn)品系列，請?jiān)L問analog.com/silentswitcher。

在大多數(shù)情況下，ADI第三代Silent Switcher器件無需LDO，即使在鎖相環(huán)和LNA設(shè)計(jì)等對電源噪聲非常敏感的應(yīng)用中也是如此。當(dāng)需要LDO時(shí)，推薦使用ADM7172和LT1761。為了避免不必要的上電電流，ADRV9029需要遵循特定的上電序列。此時(shí)建議采用ADM1166作為解決方案。

圖4.ADRV9029功能框圖

圖5.功率譜密度，顯示了對20 MHz LTE信號(hào)應(yīng)用DPD后ACLR的改善

結(jié)論

DAS有助于實(shí)現(xiàn)高效的射頻覆蓋范圍和容量，改進(jìn)無縫連接性能，從而滿足當(dāng)今對可靠語音和數(shù)據(jù)的高需求。本文討論了BDA（也稱為無源DAS）或全有源DAS解決方案如何改善建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的蜂窩信號(hào)，以確保整個(gè)設(shè)施內(nèi)的所有人員均享有穩(wěn)健可靠的無線連接體驗(yàn)。RAU是全有源DAS通信解決方案不可或缺的組成部分，就像ADRV9029對于DAS節(jié)點(diǎn)一樣。ADI公司提供參考設(shè)計(jì)、用戶指南、固件庫和其他設(shè)計(jì)資料，為工程師的設(shè)計(jì)工作提供多方位支持。

參考資料

1“設(shè)計(jì)分布式天線系統(tǒng)(DAS)”。Advantage Business Media，2016年。