為了尋求移動回程替代方案，無線服務提供商（WSP）采用了“解決方案工具箱”來滿足4G/5G蜂窩基站的回程容量需求。科進解決方案工具箱包括有線和無線傳輸技術。對于許多回程部署方案，服務提供商認識到無線傳輸比有線媒體替代方案具有顯著優勢。然而，無線技術帶來了一些獨特的設計挑戰。克服這些挑戰需要專門的RFIC器件，這些器件可以幫助縮小設備尺寸、降低工作功耗、提高動態性能并延長平均故障間隔時間（MTBF）。

介紹

本應用筆記是兩部分系列文章的第2部分，該系列討論了部署在4G和5G異構網絡（HetNets）中的無線移動回程系統。應用說明介紹了不同的設備類別和新興設備細分市場趨勢。他們還討論了微波、毫米波和低于 6GHz 無線電在小型蜂窩和宏蜂窩基站中的應用。應用筆記還探討了射頻（RF）模擬集成和高性能RF構建模塊的作用，重點是點對點微波系統和寬帶衛星系統。

本系列的第 1 部分介紹了移動回程市場驅動因素、設備趨勢以及跨蜂窩無線接入網絡部署的不同回程解決方案的工具箱。它討論了設備細分和設備配置。第 1 部分還介紹了注意事項和選擇標準，以幫助指導回程解決方案決策過程。

本系列的第 2 部分重點介紹通常用于宏蜂窩和小型蜂窩基站無線回程的點對點微波和寬帶衛星系統。第二部分討論提高無線電鏈路頻譜效率和無線電陣容方案的技術。第 2 部分還探討了 RF 模擬集成和 RF 構建模塊的作用，以及相關解決方案。

傳統的點對點、視距微波系統

傳統的點對點 （PTP）、視距 （LOS） 微波系統在從 C 波段到 Ka 波段的許可頻譜中工作。常見的工作頻段頻率為 6GHz、11GHz、18GHz、23GHz、26GHz 和 38GHz。這些系統需要暢通無阻的LOS。

圖1

顯示了將宏蜂窩基站尾節點連接到聚合節點的PTP微波回程鏈路。對于小型蜂窩基站應用，一些微波設備供應商已經演示了使用傳統LOS微波頻段的非視距（NLOS）操作。這種NLOS操作是通過利用高天線增益特性和眾所周知的衍射、反射和穿透電磁波傳播效應的操作指南來實現的。

圖1.PTP LOS 微波鏈路使用尾節點和聚合節點。這種方法允許遠程基站訪問核心網絡。

常見微波回程配置

分體式安裝單元 （SMU） 和全室外單元 （FODU） 代表了宏蜂窩基站應用中最常見的兩種微波回程設備配置。SMU 配置包括兩個獨立的盒子：室內機（IDU）和室外機（ODU）。FODU是一個集成IDU和ODU功能的單一單元。FODU 和分體式 ODU 安裝在塔頂，暴露在惡劣的環境條件和極端溫度變化中。鑒于這種環境暴露，所有室外機必須安裝在硬化外殼中（請參閱第 1 部分 [MN3]中的圖 7）。

SMU無線電

在SMU系統中，IDU發送和接收兩個不同的中低頻（IF1），一個用于發射器（TX）通道，另一個用于接收器（RX）通道。IF1 通過 IDU 和 ODU 之間的同軸電纜布線。IDU 還處理 TDM 或以太網數據路由和傳輸。

在IDU，公共接收器IF1的范圍為120MHz至140MHz，公共發射器IF1的范圍為310MHz至350MHz（圖2）。350MHz 和 140MHz IF以及直流電源通過IDU和ODU之間的同軸電纜布線。在 ODU 內的塔頂，在 L 波段或 S 波段合成第二個 IF （IF2），范圍從 1GHz 到 4GHz。 然后，IF2 從所需的微波載波頻率（RF OUT/IN）上變頻或下變頻，例如 26GHz 載波（圖 3）。

圖2.SMU無線電IF部分原理圖中的IF信號路由。IDU/ODU 接收器 （RX） 顯示在頂部;IDU/ODU 發射器 （TX） 位于底部。

圖3.分體式 ODU 中微波上/下變頻器部分的原理圖。

佛度電臺

在 FODU 配置中，整個無線電位于室外機內。高速串行接口，例如帶以太網供電 （PoE） 的 1000BASE-T，連接 FODU 和基帶單元（請參閱圖 7，第 1 部分）或微波路由器。在某些小型蜂窩應用中，FODU可以通過PoE直接與小型蜂窩基站接口，其中小型蜂窩充當電源設備（PSE），FODU是用電設備（PD）。圖4所示為典型的RF至比特?無線電收發器前端。

圖4.具有PoE+的FODU射頻到比特微波收發器的原理圖。該收音機將被包裹在一個環境硬化的外殼中。

圖4中的FODU配置基本上是一個位到RF和RF到位的盒子，它移動數字傳輸，通常是以太網，并處理所有調制/解調、模數/數模信號轉換和上頻/下頻轉換。FODU的頻率陣容與SMU不同，因為FODU有兩個上/下頻轉換級（IF1和RF輸出/輸入），而SMU需要三個上/下頻轉換級（IF1，IF2和RF輸出/輸入）。

通常，在FODU無線電陣容中，IF1的范圍可以從1GHz到4GHz。 IF1分配由鏡像抑制濾波器的復雜性和成本驅動，基于載波頻率、通道帶寬、圖像分離和本振（LO）抑制。例如，在C波段應用中，載波范圍為6GHz至8GHz，信道帶寬可擴展至56MHz。因此，IF1可以低至1GHz，允許低Q值鏡像濾波器實現必要的LO和鏡像抑制。在工作頻率為32GHz或38GHz的Ka波段應用中，IF1可能設置為4GHz，從而產生更寬的圖像分離，有助于放寬鏡像抑制濾波器要求。

更好的頻譜效率增加容量

對于服務運營商而言，關鍵優先事項包括優化頻譜利用率和實現最低的每比特傳輸成本。根據電信法規，服務運營商的 PTP 微波鏈路僅限于指定的信道大小或信道帶寬，并收取商定的許可費。運營商可以許可更多的射頻頻譜以增加容量，但這會帶來額外的費用。在許多情況下，可能無法獲得更多的射頻頻譜。最終，需要一些先進的通信技術，以便在分配信道大小的限制下實現容量增益，但不增加額外的頻譜許可成本。

為了在不使用更多無線電頻譜的情況下提高頻譜效率和系統吞吐量，可以使用三種常用技術：自適應調制、同信道雙極化 （CCDP） 和空間復用 （SM）（圖 5）。

圖5.三種先進的數字通信技術，可提高頻譜效率。

自適應調制動態改變調制星座，以便在不同的天氣條件和不同的鏈路預算下實現最大吞吐量。這種方法具有兩個關鍵優勢：通過確保在惡劣條件下的無線電鏈路運行來保持服務質量，以及在帶寬有限的信道中實現最高吞吐量。如Claude E. Shannon的經典定理所示，通信信道的容量由信噪比（SNR）和發射器功率定義。

自適應調制使用香農定理作為優化頻譜利用率的藍圖。在晴朗的天氣條件下，當無線電鏈路信噪比較高時，通過采用密集的QAM星座（如256QAM、1024QAM甚至4096QAM）來提高頻譜效率和吞吐量。在惡劣天氣條件下，隨著SNR的降低，調制可以降低到16QAM或QPSK，以確保高優先級數據的鏈路操作，但吞吐量會降低。然而，當增加QAM星座密度時，在增益與增加成本、RF發射器功耗、更好的RF信號鏈線性度和更高的動態范圍方面，收益會遞減。隨著QAM密度的每次增加（例如，64QAM，128QAM，256QAM），SNR或發射器功率需要增加3dB至4dB。同時，QAM 密度的每次增加都會使吞吐量提高約 10%。因此，總而言之，RF信號鏈性能必須翻倍，才能實現10%的吞吐量增量增益。因此，需要另一種方法來顯著提高頻譜效率并實現更高的容量增益。

CCDP 利用交叉極化干擾消除 （XPIC） 在同一信道上使鏈路容量翻倍。使用 CCDP-XPIC，您可以在同一頻率上同時傳輸兩個獨立的數據流。數據在正交天線極化（垂直和水平）上傳輸，并使用數字信號處理消除交叉極化干擾。

SM 顯著提高了頻譜效率。SM 使用多輸入多輸出 （MIMO） 天線通過同一射頻信道發送多個數據流。2×2 MIMO 鏈路可以使容量翻倍。帶 MIMO 的 SM 用于許多無線應用，包括 LTE 接入和 802.11n/ac WLAN，它依賴于多路徑干擾并利用反射引起的空間傳播路徑。但是，有一個小的并發癥需要注意。LOS微波鏈路的性質不表現出多徑，因此通過有意的天線分離來模擬多徑條件，從而產生偽多徑條件。

雖然將自適應調制與CCDP和MIMO技術相結合可以帶來可觀的容量增益，但必須考慮一些權衡。2×2 MIMO 無線電需要兩條收發器路徑（兩個發射器和兩個接收器），每個收發器專用于單個天線。CCDP無線電需要兩條收發器路徑，一個收發器專用于每個天線極化。但是，采用 2×2 MIMO 和 CCDP 需要四條射頻收發器路徑（圖 6）。RF信道密度增加4倍帶來了一個主要優勢：在不使用更多RF頻譜的情況下，鏈路吞吐量提高了4倍。在設備生命周期內攤銷，額外無線電硬件的額外成本被每年頻譜許可費用的顯著節省所抵消。

圖6.使用 CCDP 進行空間復用可提高射頻信道密度。

支持熱備冗余

采用 2×2 MIMO 的另一個優點是滿足支持熱備用 （HSB） 冗余的要求。PTP 微波系統支持 HSB，基本保護為 1+1 HSB。因此，使用兩個無線電，一個主無線電和一個備用無線電。如果主無線電發生故障，則輔助備份無線電將接通。HSB 是 2×2 MIMO 無線電架構所固有的。 HSB 的目的是在延長的平均故障間隔時間 （MTBF） 期間提供五個 9 （99.999%） 的可用性。至少在某些情況下，預期的MTBF期限可能長達五年。由于無線電鏈路和安裝位置的關鍵性質，需要這種級別的持續 24/7 保護。畢竟，無線回程設備可以是關鍵任務公共安全無線電鏈路的一部分，也可以位于支持許多移動用戶的宏蜂窩基站站點、必須安排維護的塔頂位置或難以到達的遠程基站站點。

考慮到 2×2 MIMO CCDP 1+1 HSB 需要四個無線電收發器通道。此外，隨著調制星座從256QAM增加到4096QAM，需要更好的無線電動態性能來實現所需的誤碼率（BER）和誤差矢量幅度（EVM）裕量。最終，無線回程演進提高了RF信號路徑通道密度，同時提高了對更高動態性能的期望。這意味著RF工程師對增加模擬集成的新要求。

小型RF解決方案推動了對模擬集成的需求

對不犧牲性能或可靠性的小型RF解決方案的需求推動了對更高模擬集成度的需求。回想一下上面的第一個中頻發射器部分。在FODU發射器中，第一個IF的范圍可以在1GHz到4GHz之間。在SMU發射器中，第一個IF的范圍為310MHz至350MHz。還要考慮到自適應調制支持從QPSK到4096QAM的星座，并且根據應用的不同，信道帶寬可能在3.5MHz至112MHz之間變化。這些因素共同決定了軟件定義的無線電拓撲結構，該拓撲支持基于通用發射器架構平臺的必要EVM動態性能。

用于微波PTP平臺的多功能RF-DAC發射器

在設計第一個中頻發射器級時，有多種無線電架構可供選擇，包括零中頻、復中頻、實中頻和直接射頻。但是，如果微波PTP發射器平臺必須支持高階調制、寬帶寬、軟件定義無線電功能、低功耗和緊湊尺寸，該怎么辦？目前，最好的架構是使用具有直接數字合成（DDS）的RF數模轉換器（RF DAC）進行直接RF轉換。圖7所示為直接RF發送器，使用MAX5879 RF DAC合成2GHz的IF。

RF-DAC發射器非常有用，因為它可用于分體式室內機，直接合成350MHz IF。它還可用于FODU中，直接合成高達2.8GHz的IF，作為跨越不同設備配置的通用發射器平臺。

RF-DAC 發射器需要的分立器件更少，占用的印刷電路板 （PCB） 面積也相當小（圖 7）。這種空間節省對于空間受限的MIMO和CCDP無線電至關重要。

基于DDS的RF-DAC發射器架構消除了增益相位誤差，實現了完美的載波抑制，無LO泄漏。這對于滿足以低 BER 傳輸具有密集星座（如 QAM-2048）的高階調制信號所需的嚴格 EVM 要求非常重要。

與傳統架構相比，RF-DAC每通道功耗降低約1W。在 FODU 無線電中使用 2×2 MIMO 和 CCDP 并由 POE+ 供電，這意味著節能 4W，或 POE+ 功率預算的 15%。此外，較低的工作功率意味著更少的散熱，這對于承受接近40°C的極端高溫的被動冷卻室外機來說是一個關鍵問題。

圖7.復中頻與支持 CCDP 或 2×2 MIMO 的射頻 DAC 發射器的 PCB 面積比較。RF DAC發射器（右）顯著減少了PCB面積和元件數量。AQM = 模擬正交調制器;LO = 本振（PLL/VCO 頻率合成器）;VGA = 可變增益放大器;I/Q濾波器=多極，差分。圖表不縮放。

關鍵射頻構建模塊

密集的RF模擬集成對于縮小尺寸和減少元件數量非常重要，但仍有許多無線電功能依賴于RF構建模塊。如圖2、圖3和圖4所示，IF部分和微波上/下頻轉換部分代表兩個需要多個關鍵模擬功能的RX-TX區域。兩個必需的電路功能是鎖相環（PLL）頻率合成器和可變增益放大器（VGA）。

鎖相環頻率合成器

在RX和TX信號路徑的IF部分，PLL頻率合成器產生混頻LO和100MHz至4GHz的高速ADC/DAC轉換時鐘。常用器件必須集成VCO和小數/整數n分頻PLL，并提供寬頻率覆蓋范圍。MAX2870/MAX2871是常用選擇。

在RF微波部分，PLL頻率合成器用于為基波混頻器或次諧波泵浦混頻器產生高頻LO。LO頻率范圍為6GHz至12GHz，具體取決于最終載波頻率。通常使用帶有外部VCO的PLL，如MAX2880。

兩種PLL頻率合成器應用都需要出色的相位噪聲和雜散性能，這直接影響系統容量。如上所述，PTP微波無線電可以使用高達2048QAM或4096QAM的調制星座來實現高頻譜效率并提供高吞吐量。需要不會顯著降低EVM的PLL頻率合成器相位噪聲容限和雜散性能來支持密集調制星座。這樣可以保留無線電鏈路SNR，并允許系統實現最大容量和吞吐量。圖8所示為fOUT = 12GHz時MAX2880的相位噪聲性能。MAX2880在20MHz的集成帶寬和整數n模式設置下，可實現-43.6dB的EVM。對于 2048QAM 無線電陣容，這意味著 EVM 僅下降 0.6dB，信噪比裕量為 +10dB。

圖8.相位噪聲是LO應用中重要的PLL頻率合成器性能指標。為簡單起見，MAX2880的低通濾波器中排除了用于濾波、交流耦合和阻抗匹配的無源R-C元件。

PLL頻率合成器的一個重要特性是獨立的雙通道RF輸出，可以設置為不同的功率電平和輸出頻率。此功能有助于從單個器件生成LO和高速轉換器（ADC或DAC）轉換時鐘。在IF = 1.9GHz和56MHz通道帶寬的零中頻RX架構示例中，模擬正交解調器LO可以設置為1.9GHz，LO驅動電平為+2dBm;高速ADC時鐘設置為118.7MHz （16分頻），頻率為+5dBm。使用MAX2871等具有獨立雙RF輸出端口和獨立輸出功率電平的器件，可以省去額外的頻率合成器、LO緩沖器和時鐘緩沖器。在系統層面，您可以降低成本，并從更小的占用PCB面積中受益。

確保 RX 和 TX 路徑中的信號電平正確

在PTP微波無線電中，自動發射功率控制（ATPC）是一項關鍵功能。ATPC用于在衰減事件期間提高發射器功率電平，從而在不利的環境條件下保持鏈路質量。該功能還可以降低對相鄰通道的干擾。ATPC 可與自適應調制結合使用，以根據所需的調制更改發射器功率電平。這提供了一種優化電源回退和動態設置各個調制星座的方法。ATPC 通過保持足夠的 SNR 來提高鏈路可用性，并通過降低平均工作功耗來節省能源。 ATPC 的準則是高達 20dB 的動態范圍，步長為 1dB，跟蹤速度為 100dB/s。通常，發射器輸出功率容差為±1dB。當與自適應調制一起使用時，增益范圍必須覆蓋額外的8dB至10dB，以補償QPSK至4096QAM不同調制情況下的PA回退。

VGA 是 ATPC 操作和整個信號鏈系列的重要組成部分，可確保 RX 和 TX 路徑中的信號電平正確。在SMU的TX路徑中，VGA對于補償電纜損耗和均衡也很重要。高線性度過熱、寬帶性能和集成報警電路的線性dB控制是ATPC應用VGA的主要特性。圖9顯示了寬帶VGA如何使用專有技術在-40°C至+95°C的溫度范圍內實現高度線性的控制電壓響應。在整個溫度范圍內的高線性度對于承受寬工作溫度極端影響的 FODU 無線電至關重要。請注意，該器件的工作頻率為 700MHz 至 2.7GHz。該范圍可在中頻時實現部分功率控制，并在射頻下支持全ATPC（即從6GHz到40GHz）。增強中頻的功率控制需要另外10dB至15dB的VGA動態范圍，以補償后續RF級的損傷。損傷包括插入損耗、增益變化和元件溫度漂移。同樣在SMU應用中，VGA可能需要提供6dB的電纜損耗補償。這就是為什么示例VGAMAX2092具有高達40dB的動態范圍和+18dBm P1dB（即ATPC范圍= 6dB;調制回退= 8dB;損傷補償= 10dB'電纜損耗補償=6dB;總VGA范圍= 30dB）。

圖9.VGA的一個重要特性是在寬工作溫度范圍內具有高線性度，具有精確的線性dB電平控制（如左側的性能曲線所示）。VGA與MAX2092一樣，是用于ATPC應用和RX-TX信號電平的常用RF構建模塊。

甚小口徑終端衛星回程

商業衛星系統使用甚小孔徑終端 （VSAT） 經濟高效地傳輸電話、寬帶接入和視頻內容。VSAT 系統部署在企業級專用網絡、消費者寬帶服務和蜂窩基站回程中。在蜂窩基站回程應用中，VSAT系統是遠程小型蜂窩站點的理想選擇。圖10顯示了基站回程應用中使用的典型VSAT系統。

圖 10.帶有寬帶VSAT系統的衛星回程將遠程小型蜂窩基站連接到核心網絡。

路由器和網關VSAT終端是地面單元，具有與C/Ka/Ku波段衛星的雙向通信鏈路。衛星可以位于地球同步軌道（GEO）或中地球軌道（MEO）。地面VSAT天線的尺寸從75厘米到3米不等。 因為它們是由有限的能源供電的，所以軌道衛星受到能量限制。因此，衛星下行鏈路信道的發射機功率有限。該鏈路也容易受到大氣損失的影響，因為地球同步衛星的軌道距離地面終端30公里。因此，無線電鏈路以低信噪比運行。為了在低信噪比下以可接受的誤碼率實現所需的數據吞吐量，VSAT 系統使用具有相對低階調制的寬信道帶寬，例如 QPSK、8PSK 或 16APSK。

傳統衛星占據500MHz至1GHz的頻譜，包括多個轉發器，帶寬為27MHz，36MHz或54MHz。新一代高通量衛星（HTS）在Ka波段運行，那里有更多的射頻頻譜可用。Ka波段衛星可以有多達120個單獨的點波束，達到150Gbps的容量。HTS Ka波段系統使用帶寬高達500MHz的寬轉發器通道。 ODU和IDU是VSAT系統中的兩個主要無線電元件。拓撲類似于微波點對點SMU。ODU 位于天線天線上，處理 C/Ka/Ku 波段微波載波（6/4GHz、14/12GHz、30/20GHz）到 L 波段中頻（IF = 925MHz 至 2175MHz）的塊頻率轉換。IDU 處理從 L 波段 IF 到基帶的上/下頻率轉換。

VSAT應用的無線電解決方案

圖11顯示了工作在Ku頻段的典型ODU微波上/下變頻器。ODU 包括兩個模塊：低噪聲模塊 （LNB） 接收器和模塊上變頻器 （BUC） 發射器。與微波PTP回程無線電一樣，基波和次諧波泵浦混頻器與PLL頻率合成器一起使用。在LNB和BUC以固定頻率工作且頻率漂移不是問題的應用中，PLL可以用介電諧振器振蕩器（DRO）代替。DRO 的典型頻率漂移范圍為 ±1 ppm/°C 至 ±4 ppm/°C。對于工作在-10°C至+45°C溫度范圍的10GHz設計，這相當于550kHz至2.2MHz的頻率漂移。這種頻率隨溫度的變化可能是室外機的問題，這些室外機受到寬工作溫度的極端或單通道每個載波系統的影響。即便如此，在許多VSAT應用中，DRO是PLL頻率合成器的低成本替代方案。

圖 11.模擬射頻構建模塊在VSAT ODU微波無線電中起著重要作用。在這里，LNB 和 BUC 依靠 PLL 頻率合成器和高線性度 VGA 在極端溫度范圍內實現穩定的性能。

IDU VSAT終端需要寬帶頻率覆蓋和高動態范圍，并選擇性調諧到所需的轉發器通道。對于寬帶VSAT調諧器，主要特性包括高動態范圍VGA;使用多個VCO進行LO調諧的小數n分頻頻率合成器;以及具有可變帶寬控制的基帶I/Q濾波器。圖12所示為直接變頻寬帶VSAT調諧器。

圖 12.基于直接變頻收發器架構的VSAT室內機（IDU）

寬帶調諧器具有925MHz至2175MHz的寬帶頻率覆蓋范圍，以支持L波段ODU輸出頻譜。LO由集成的20位小數n分頻頻率合成器產生，調諧分辨率低至26Hz。內部低通濾波器可在 4MHz 至 40MHz 范圍內編程，涵蓋所有常見的轉發器通道帶寬。VGA級提供超過80dB的增益范圍，以考慮下行鏈路路徑損耗效應，如雨水褪色、樹葉遮擋、極化損耗和天線去指向損耗。

專為商用VSAT系統設計的ODU和IDU無線電利用高度集成的專用模擬半導體，并輔以高性能RF構建模塊。這種組合提供了寬帶衛星回程應用所需的尺寸、成本和性能要求。為了獲得更高的數據吞吐量，下一代甚小口徑終端系統將利用在Ka波段運行的超導衛星，在該波段有更多的頻譜可用。這一進步反過來又推動了對新型RF-模擬解決方案的需求，這些解決方案能夠滿足新興小型蜂窩回程部署的帶寬、動態性能、尺寸和成本要求。

結論

4G蜂窩網絡正在向HetNet拓撲演進，宏蜂窩基站、不同類別的小型蜂窩基站和分布式天線系統之間的接入層協調。HetNet 部署可提高網絡容量和覆蓋范圍，為移動寬帶用戶提供更高的數據吞吐量和卓越的體驗質量。與此同時，回程傳輸正在成為將移動用戶、無線接入網絡和核心網絡結合在一起的關鍵 HetNet 元素。無線回程是無線服務提供商回程“工具箱”中的重要工具，未來幾年將更多地依賴5G接入。

PTP微波和寬帶衛星技術是部署在無線接入網絡中的兩種常見無線回程替代方案。隨著基站容量和吞吐量的增加以支持不斷增長的移動數據需求，回程容量也必須增加。隨著基站尺寸和功率的減小，回程解決方案也必須減小。因此，無線回程系統將繼續依靠RF模擬集成和RF構建模塊解決方案來實現高頻譜效率、更小的外形尺寸和更低的工作功耗。

審核編輯：郭婷