為使大規模 MIMO 系統的商業化成為現實，賽靈思正推出首款採用 RF 級模擬技術的 All Programmable RFSoC，在集成方面取得突破性進展，將高性能 ADC 和 DAC 完美集成到了 SoC 中。

通過用集成直接 RF 採樣技術取代分立數據轉換器，RFSoC 可實現 50-75% 的功耗和封裝尺寸削減，這也是大規模 MIMO 5G 無線電和毫米波無線回程的關鍵。

同時，SoC 與直接 RF 信號處理的結合為數字域中提供了全面的靈活性，將我們與適合商用、面向無線基礎設施的軟體無線電的距離拉得更近了。

功耗與封裝尺寸 – 5G 商業部署的關鍵

傳統 4G 無線電接入網絡 (RAN) 通過高損耗的同軸電纜與遠端射頻單元建立有線連接。

儘管遠端射頻架構是從 3G 演進而來，但該方案仍存在一些問題。

從天線到遠端射頻單元的功耗依然很大，而且系統體積大，無法實現密集部署。

如 Figure 1所示，RAN 演變過程中的下一步是使用有源天線陣列（使數字和模擬射頻單元與天線的距離更近），以節省空間，避免電纜損耗和相關功耗，同時改善鏈路預算。

有源天線陣列在 4G 中很成功，但是無法滿足 5G 中連接設備數量和用戶數據速率的提高。

圖 1:遠端射頻設備和天線系統的演進

大規模 MIMO 和波束成型技術占解決方案中的很大一部分。

根據 Figure 1中所示，「大規模」 MIMO 配置可將 32、256 甚至多達 1024 個獨立 [物理] 天線整合到一個 2D 陣列中。

它們的相控陣列特性能實現高解析度波控和更低功耗，允許進行非常高密度的安裝，顯著提高每單元容量。

有了這種 2D 陣列結構，就可以在非傳統布局中使用新型網絡拓撲結構，包括以「瓦片」形式安裝到建築物側面，或採用不規則形狀的廣告板或名牌。

為了支持這些大規模 MIMO 陣列，遠端射頻單元需要緊湊性，並且能夠支持子陣列以實現靈活和可擴展的天線配置。

首款 All-Programmable RFSoC

All-Programmable RFSoC 能解決上述這些問題。

該器件將通信級 RF 採樣數據轉換器（配有數字處理子系統）、穩定可靠的 ARM 級處理系統以及 FPGA 架構整合到單晶片器件中。

最後達在集成度方面取得了重大突破。

尤其是模擬到數位訊號鏈得到硬化 DSP 子系統的支持，便於模擬設計人員進行靈活配置。

這樣可將系統功耗和系統尺寸降低 50-75%，並達到所需的靈活性以適應不斷演進的規範和網絡拓撲結構。

圖 2:推出首款 All Programmable RFSoC 減少功耗、封裝尺寸和設計周期

傳統的無線電系統包含一個處理器、可配置邏輯、連接 IP，當然還有數據轉換器。

當在高 RF 頻率下工作時，典型的單通道 ADC 的功耗約為 2W，DAC 的功耗約 1.25W。

通過集成減少組件之後，能降低功耗和封裝尺寸，這對於高通道數的系統來說效果顯著。

除了這些優勢以外，集成還能明顯簡化系統設計。

主要原因在於，與大量分立式轉換器建立連接是個不小的 I/O 挑戰。

為了隨帶寬擴展，大多數新型轉換器都使用基於 JESD204B 協議的速率高達 12.5Gb/s 的高速串行接口。

這種方案存在很多問題。

首先，JESD204B IP 核的實現需要時間，要使用寶貴的 FPGA 架構，並消耗大量的功耗。

其次，串行 I/O 功耗在更高數據速率下會顯著增加。

不過，最難的還是建立串行鏈路。

12.5Gb/s 速度下的信號失真是個問題，大多是通過高損耗低成本銅纜連接運行高線路速率所致。

這個過程令人不爽，模擬設計人員迫切希望解決。

圖 3:通過集成來減小功耗、封裝尺寸和設計周期

集成轉換器之後就無需再使用 JESD204B IP 核和串行收發器。

其優勢不局限於減少功耗和封裝尺寸，還能大大縮短開發時間。

功耗降低達 50%

從初步測量結果來看，功耗削減效果明顯。

在典型 4 路發送、4 路接收 (4Tx/4Rx) 天線配置中，分立式 ADC 和 DAC 的功耗明顯降低，以至於從 Table 1中看功耗降低了 40%，8Tx/8Rx 系統的功耗降低了 50%。

表 1：利用集成子系統為數字無線電（帶 DPD）降低功耗

封裝尺寸減小多達 75%

尺寸減小的程度隨收發器和天線數量而增加，因為可以避免使用更多轉換器。

商用器件中，典型 RF ADC 或 DAC 每通道占位面積可高達 15x15mm。

4Tx4Rx 無線電架構中的面積節省約 50%，對於更大的無線電架構，如 Figure 2中所示的 8Tx/8Rx 而言，優勢會顯著增加，為完全部署的多通道系統實現 75% 以上的面積節省。

考慮到有多個子陣列的 128Tx/128Rx 系統會在 5G 中普遍存在，因而占位面積節省量將會非常可觀。

鑒於單個天線單元非常小，可用面積很有限，對於需要 10、20 或 30 多個器件的原型而言，需要大幅縮減占位面積。

圖 4：8Tx8Rx 無線電架構的封裝尺寸縮減

直接 RF 採用的價值

除了尺寸、功耗和生產力優勢以外，另一個不能低估的因素是基於領先的直接 RF 採樣技術的轉換器子系統本身的優勢。

這種現代化的採樣方法可「直接」對進入/流出的 RF 信號進行採樣，無需事先用模擬器件做任何信號調節。

迄今為止，大部分系統都採用稱為中頻（IF 或 Zero-IF）採樣的模擬化方案，需要將原始信號下變頻到 ADC 支持的採樣頻率。

下變頻電路包含混頻器、高質量振蕩器以及其他模擬器件。

模擬電路相對來說不太靈活，需要高度專業化的設計和複雜的器件選擇。

圖 5:直接 RF 採樣和 SoC 集成

直接 RF 採樣中，可直接對流入的 RF 信號採樣，無需事先進行下變頻。

信號被數字化之後，利用數位訊號處理技術在更為靈活的可編程數字域中完成下變頻和信號處理。

這些 RF ADC 支持更高的採樣率，由於數字域有更好的濾波技術，因此能夠更好地在動態範圍、信號質量（信噪比）和信號帶寬之間進行權衡。

賽靈思通過 SoC 集成使此方案更進一步，在數字域實現了完全靈活性，同時讓無線電處理與天線的距離更近。

由於能利用同一器件滿足不同的 Tx/Rx 天線配置和不斷演變的標準，因此移動設備廠商可以對市場變化和機遇做出快速響應。

很明確，在 5G 環境下，沒有哪種單一類型的無線電技術能滿足下一代無線電接入網絡的多樣化需求。

完整的數據轉換器子系統實現靈活性

RF 數據轉換器子系統包括混頻器、數控振蕩器、抽取/插值，以及針對每個通道的其他數位訊號處理技術——支持用於 IQ 處理的覆信號。

轉換器具備 5G 所需的高採樣率、大動態範圍和解析度。

有些情況下，數字下變頻(DDC)無需 FPGA 資源，數據直接進入邏輯架構。

圖 6：RFSoC 中的集成 RF 子系統

與分立式 RF IC 的對比以及 16nm FinFET 的優勢

直接 RF 採樣的普及速度比較平緩。

事實上，對於發射/接收天線少、對小型低成本系統而言，基於模擬的 IF 轉換器依然使用普遍。

這些解決方案一般用在較老的晶片工藝（例如 65nm）上，且成本低。

鑒於 RF 設計界對傳統模擬使用模型更加熟悉，因此這很可能是最適合的方案。

分立式直接 RF 數據轉換器基於數字過程和更先進的工藝節點，仍被認為是「較高端」的技術。

隨著最新分立式器件提供 4 個通道，向直接 RF 採樣技術的遷移已經對高通道數量的系統的尺寸產生了影響。

如下圖所示，儘管直接 RF 採樣的優勢實實在在，隨著分立組件遞增，優勢更為明顯。

同時，要達到 5G，無線製造需要的不僅僅是逐漸改進。

對功耗和尺寸削減而言，最有意義的飛躍是全系統集成。

通過將 RF 前端和無線電前端結合到相同數字域，系統和模擬設計就會變得更加靈活。

實際上，集成使 RF 採樣成為更適合採用的技術，使行業朝完全軟體無線電又邁進一步。

圖 7：針對 5G 無線的數據轉換器比較

由於基於先進的 16nm FinFET 工藝（具備出色的模擬特性），RFSoC 中轉換器子系統本身實現了出色的單位功耗性能。

通過將 RF 子系統和整個信號鏈構建在先進的 CMOS 上，RFSoC 開創性地將摩爾定律應用於模擬域。

賽靈思先前的 RF-模擬集成經驗

高性能 ADC/DAC 在 2013 年就被集成到了 7 系列 FPGA中——RFSoC 之前的產品。

經過驗證、特性描述和客戶確認，測試晶片能夠消除 JESD204 接口，展現出了靈活性優勢，生產力優勢，以及實現通道數量的擴展。

概念驗證可指導以應用為重點的 All Programmable RFSoC 開發方案。

總結：面向 5G 無線領域的顛覆性的技術突破

憑藉 RF 級模擬技術的推出，賽靈思繼續其系統集成使命。

無論晶片級和系統級，移動製造商都需要突破性技術以便超大尺寸的 5G 測試平台和原型過渡到更小型、更具商業部署價值的系統。

總之，RFSoC 正逢其時，解決了 5G 無線電設計中的燃眉之急。