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摘要
商業(yè)建筑和體育場館需要實現高質量的蜂窩覆蓋，但相關環(huán)境對信號接收造成了挑戰(zhàn)。本文詳細介紹了分布式天線系統(DAS)的綜合解決方案，為在建筑結構內部擴展蜂窩覆蓋范圍和容量帶來了更優(yōu)質的設計思路。本文概述了高集成度系統設計的多項優(yōu)勢，該設計中包含了射頻收發(fā)器以及與之耦合的雙向放大器(BDA)或遠程訪問單元(RAU)設備。讀者可以通過仔細查看草擬的方框圖，更深入地了解解決方案中的多種元素將如何協同工作。
簡介
商業(yè)建筑和體育場館等現代環(huán)境常需要改進蜂窩網絡覆蓋性能，以提供無縫連接體驗。然而，如今的大型商業(yè)建筑、醫(yī)院和體育場館常常會采用厚鋼材、混凝土和節(jié)能玻璃墻，這些材料容易阻礙蜂窩信號傳輸，導致人員在其中無法獲得良好的手機信號。換句話說，加固結構、有色窗戶以及其他建筑材料會讓建筑物屏蔽射頻信號1。此外，高層建筑可能會受到附近蜂窩塔的高水平射頻干擾，這會進一步降低信號質量。當狹小空間中的人員過多時，常會導致系統超容量，這也是手機接收信號不良的一個原因。這些因素共同導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)質蜂窩服務和加速無線網絡的未來發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用。
什么是DAS？
DAS是一種室內無線增強系統，可為建筑內的人員提供可靠的手機覆蓋。DAS是由在空間中彼此獨立的天線節(jié)點組成的網絡，可擴展蜂窩范圍并增強信號強度，在高密度室內或室外場所實現出色的蜂窩連接體驗。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BDA或增強器、無線運營商的基站收發(fā)臺(BTS)、光纖分配前端、RAU以及建筑物內經戰(zhàn)略性部署的多個天花板天線。某些情況下，還需要為每家運營商都安裝一個BTS。
通常，多個射頻饋送信號會被合并，然后傳遞到前端，即主分配單元。施主天線位于建筑物頂部，負責發(fā)送信號和接收來自蜂窩運營商的信號，并通過處于適宜位置的射頻信號BDA將無線信號引入建筑物中。前端設備隨后通過各種光纖電纜向RAU饋送信號。RAU又通過同軸電纜向天線系統饋送信號。單個RAU可以向多個天花板天線饋送信號。與蜂窩基站為蜂窩網絡提供覆蓋類似，這可以為建筑物內的移動設備提供語音和數據服務。圖1顯示了一個典型的全DAS架構。
室內無線覆蓋有兩個主要的改善趨勢：一是僅使用射頻增強器或BDA產品，這些是簡單的信號中繼器（也稱為無源DAS）；二是使用完整的有源DAS系統，如圖1所示。無源和有源DAS信號分配系統均可用于改善商業(yè)建筑內的無線覆蓋和容量，可根據實際情況選用。混合DAS是指同時包含無源和有源方案的分布式系統。
圖1.混合DAS架構
雙向放大器
射頻信號從施主天線傳播得越遠，信號強度就會越來越弱，原因是長同軸電纜會帶來衰減。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或放大并重新驅動信號。BDA前端包括一個具有濾波性能的低噪聲放大器(LNA)，有時還包括自動增益控制(AGC)電路。AGC器件專門設計用于限制射頻功率水平，以及保護BDA免受損壞或失真。BDA可同時放大兩個方向上的射頻信號。BDA不會調制、修改或以其他方式扭曲實際射頻信號。其主要作用在于增強整個建筑物中的射頻信號。大多數BDA模塊設計用于同時放大多個載波，其使用不需要與運營商達成協議。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。
DAS遠程訪問單元
DAS前端設備負責執(zhí)行模數轉換，可轉換來自一家或多家運營商的射頻信號。這就是為什么每家供應商通常需要運營商批準才能安裝有源DAS。將射頻信號數字化并將其置于高帶寬光纖電纜上，可使信號以高帶寬、全強度和非常低的損耗，并跨越更遠的距離傳輸至整個商業(yè)建筑中經戰(zhàn)略性部署的所有RAU中1。此過程將進一步增強信號的抗干擾性。
RAU將數字光纖信號轉換回模擬射頻信號，并將其饋送到DAS天花板天線。RAU通過同軸電纜連接到遠端吸頂天線，以實現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。圖1顯示了前端和所有RAU之間的光纖布線。
RAU是DAS中主要的關鍵功能，有助于擴展射頻容量。RAU的主要作用是實現數字到射頻和射頻到數字的轉換。ADI公司提供了集成度高且靈活性強的射頻收發(fā)器解決方案（如ADRV902x系列），為幫助RAU勝任復雜任務帶來了基礎集成電路器件。
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品型號。圖中為該平臺提供了多個具體的器件建議，但下文將僅重點關注射頻收發(fā)器、ADRV9029和一些附加電源器件。
圖2.BDA/射頻增強器框圖
圖3.使用ADRV9029射頻收發(fā)器的典型RAU的框圖
表1.RAU設計的建議器件
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，能夠合成和數字化寬帶信號。通過編程，該器件可用于頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)應用。該器件能夠提供DAS蜂窩基礎設施應用所需的性能，尤其是RAU。作為其數字前端模塊的一部分，該器件具有數字預失真(DPD)自適應引擎和削峰(CFR)引擎，這兩個關鍵功能使其在競爭對手中脫穎而出。如果DAS系統的低延遲要求非常嚴格，則可以旁路CFR。圖4為ADRV9029的功能框圖。
數字預失真功能
DPD功能或特性支持無線系統將其功率放大器(PA)驅動至更接近飽和的狀態(tài)（但不會使功率放大器飽和），從而在保持線性度的同時，實現更高效率的功率放大器。也就是說DPD功能通過擴展PA的線性工作區(qū)，使RAU實現更高的功放效率，而且仍然滿足發(fā)射信號鏈的鄰道泄漏比(ACLR)要求。遠程DAS節(jié)點中的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)行器和系數計算引擎，以幫助系統的PA高效運行。
ADRV9029的DPD算法支持高達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)省系統級成本、空間和功耗。如特定應用有需要，可以通過GPIO控制完全旁路ADRV9029中的DPD引擎。
將DPD應用于20 MHz LTE信號基帶數據后，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）的性能改進如圖5所示。這些功率譜密度圖說明了在應用DPD后，由LTE 20 MHz信號的交調產物引起的帶外非線性如何降低15 dB至20 dB。
削峰模塊
由于當前無線系統相關技術的固有特性，信號可能會具有很高的峰均功率比(PAPR)，這一現象在正交頻分復用(OFDM)等多載波波形中尤為明顯，并會導致降低PA的效率。主要原因是信號的峰值超出了PA的線性工作范圍。削峰(CFR)方案可確保信號所需的范圍在功率放大器的線性范圍內，并有助于減輕甚至消除系統中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CFR引擎。簡而言之，這個精密受控的單片平臺提供了一個由CFR模塊預輔助的DPD引擎。正是這種芯片上信號處理的組合，使得ADRV9029在在保持PA線性度方面占據了競爭優(yōu)勢。
ADRV9029利用了一種基于脈沖消除技術的變體來實現CFR。該方法通過從檢測到的峰值中減去預先計算的脈沖，使信號保持在功率放大器的線性范圍內。因此，這需要為每個載波組合生成并加載脈沖。由于上述和其他因素讓CFR模塊產生了額外的延遲。在大多數情況下，DAS系統具有嚴格的延遲要求。在此類情況中，可以簡單地旁路CFR功能。ADRV9026是不帶DPD和CFR的產品系列的成員。
電源
努力實現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)射器性能指標后，如果忽視RAU的系統電源設計，可能會導致與射頻設計和仿真工作相關的所有優(yōu)異成果均付諸東流。在工作期間，ADRV9029的電源電流可能會有很大變化，尤其是在TDD模式下工作時。如果不對電源噪聲加以控制，則甚至會讓JESD204B/JESD204C鏈路性能受到影響。
ADI公司開發(fā)了有關開關模式電源和封裝的創(chuàng)新技術，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、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器件產品系列，請訪問analog.com/silentswitcher。
在大多數情況下，ADI第三代Silent Switcher器件無需LDO，即使在鎖相環(huán)和LNA設計等對電源噪聲非常敏感的應用中也是如此。當需要LDO時，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信號應用DPD后ACLR的改善
結論
DAS有助于實現高效的射頻覆蓋范圍和容量，改進無縫連接性能，從而滿足當今對可靠語音和數據的高需求。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構內的蜂窩信號，以確保整個設施內的所有人員均享有穩(wěn)健可靠的無線連接體驗。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)點一樣。ADI公司提供參考設計、用戶指南、固件庫和其他設計資料，為工程師的設計工作提供多方位支持。
參考資料
1“設計分布式天線系統(DAS)”。Advantage Business Media，2016年。
下載ECAD模型
