5G基礎設施現在需要半導體公司進行新一輪創新，通過更具適應性的解決方案來提高網絡效率。

大規模多輸入多輸出（mMIMO）的出現為基站硬件帶來了新的RF挑戰，而新的無線電技術則促進了通往5G無線的道路。因此，已經面臨日益增加的RF復雜性的5G基礎設施現在需要半導體公司進行另一輪創新，以通過更具適應性的解決方案來提高網絡效率。

到目前為止，通信設備制造商勢必會創建多個具有特定頻率的卡，以滿足無線行業對全球各種許可和未許可5G頻段的要求。以愛立信為例，它每周創建兩個電路板設計，以跟上全球所有的頻率計劃。

那么，我們如何開發一個與頻率無關且可在多個地區使用的單一平臺呢？特別是對于mMIMO無線電，它在面板中使用大量天線，這使得網絡效率勢在必行。賽靈思聲稱其超大規模+ ? 射頻?片上系統（SoC）提供了一個單芯片自適應平臺，該平臺可以針對多種5G標準進行重新配置。

直接射頻采樣

在傳統的模擬方法中，在通過分立元件進行RF采樣后，RF信號鏈通過JESD204接口連接到數字前端。它還涉及每個芯片一個或兩個轉換器。在這里，從一個芯片到另一個芯片的數據轉換可能需要高達8瓦的功率才能傳輸320 Gb的數據。

但是，當您使用大量發射器和接收器時，例如在mMIMO設計中，您必須非常注意功耗。因此，Zynq UltraScale+提供了一個單芯片自適應無線電平臺，可以對射頻信號進行直接采樣。

圖 1：傳統的基于模擬的方法（上圖）和直接 RF 采樣方法（下圖）之間的比較。圖片：賽靈思

直接RF采樣直接處理輸入信號，無需下變頻到中頻（IF）信號，并應用DSP技術在數字域中執行信號調理等任務。這消除了當RF電路進入下一個芯片執行網絡路由等任務時的JESD204瓶頸。

這反過來又簡化了模數信號鏈，并允許處理更多的數據，這是5G系統中mMIMO基站的一個關鍵優勢。該單芯片自適應平臺集成了基帶、無線電 IP、MAC、DSP 信令和濾波以及數據轉換器、通用數字處理器和 DDR4 內存子系統。

例如，RF數據轉換器的集成為降低功耗、占地面積和物料清單（BOM）成本提供了寶貴的場所。Zynq UltraScale+ 支持使用 14 位模數轉換器 （ADC） 對高達 5 千兆次采樣/秒的直接射頻采樣，使用 14 位數模轉換器 （DAC） 支持 10 G 采樣/秒。?

在 Zynq 超標度+ 中，射頻 ADC 的采樣速率從 4 G 樣本/秒提高到 5 G 樣本/秒，射頻 DAC 的采樣率從 6 G 樣本/秒提高到 10 G 樣本/秒。這可將時分雙工 （TDD） 用例中 RF 數據塊的功耗降低 20%。在這里，值得一提的是，大多數5G無線電都是基于TDD技術的。

FPGA 如何助力射頻設計

以FPGA為中心的設計通常需要數據轉換器，但到目前為止，只有低性能轉換器被集成到FPGA中，用于系統監控等應用。這主要是因為模擬和數字處理器是由半導體公司的不同團隊開發的，甚至完全由不同的公司開發。

數字團隊致力于節點遷移以縮小節點大小，而模擬工程師則使用穩定的舊處理節點。但是，它必須在現代無線電用例中進行更改，例如mMIMO，這些用例要求更高的集成級別。

Xilinx 聲稱，采用 16 nm 鰭狀場效應晶體管工藝制造的 Zynq 超大規模 + 是這種更高集成度的體現。它將模擬域和數字域都放入單個硅片中，以通過可編程邏輯優化信號流。

硬件和軟件可編程引擎的集成消除了分立元件，使功耗和設計尺寸降低了50%。例如，Zynq 超大規模 + 通過將外部 PLL 振蕩器的數量從 4 個減少到 1 個，從而降低了 BOM 成本。

圖 2：集成模擬和數字器件的單芯片射頻解決方案如何降低功耗、基底面和 BOM 成本。圖片：賽靈思

除了 5G 基站設計外，Xilinx 還將這種多頻段無線電芯片用于其他射頻應用，如相控陣雷達網絡和天氣監控系統。然后，還有一些用例，例如用于電纜接入的遠程PHY節點，汽車中的激光雷達系統，測試和測量以及衛星通信。

適應5G世界

5G標準將在未來幾年內發展，這將繼續改變系統要求。因此，與通信設備制造商一直在使用ASIC的3G和4G設計領域不同，靈活的邏輯方法更有可能經受住增量5G部署。

當今5G設計環境中的ASIC解決方案很可能在一年內過時。另一方面，連接模擬域和數字域的可編程解決方案（圖3）可以針對各種5G安裝進行重新配置。

圖 3：Zynq 超大規模+ 射頻芯片的框圖顯示了不同的子系統。圖片：賽靈思

本文介紹了一種高度集成的RF芯片的概況，該芯片在數字域內執行下變頻過程，從而繞過了傳統的RF采樣模擬方式，該方式涉及使用分立元件進行下變頻。

審核編輯：郭婷