备战5G，赛灵思RFSoC实现颠覆性技术突破

作者:中国电子商情 单祥茹  来源:中国电子商情

发布时间:2017-03-07

与日俱增的联网设备数量，现有的4G网络已渐渐不能满足这些应用需求，5G技术的最大特点就是大数据、众连接与场景体验，这让业界对它寄予了更多期盼。为了实现5G网络Gpbs级的数据传输速率，就需要有更大的带宽做支持。而大规模MIMO技术能有效提升频谱效率，目前正在成为5G技术重要的研究方向之一。为使大规模 MIMO 系统的商业化成为现实，通信设备制造商正在寻找各种新方法，以满足严格的商业部署要求。今年2月21日，赛灵思（Xilinx）宣布，通过在其16nm全可编程（All Programmable）MPSoCs中集成射频（RF）级模拟技术，面向5G无线实现了颠覆性的集成度和架构突破。Xilinx全新的All Programmable RFSoC，在集成方面取得了突破性进展，它将高性能ADC和DAC完美集成到SoC中。通过用集成的直接RF采样技术取代分立数据转换器，RFSoC能实现50-75% 的功耗和封装尺寸削减，这也是大规模 MIMO 5G无线电和毫米波无线回程的关键。此外，RFSoC与直接RF信号处理的结合成功地将模拟化方案中复杂的下变频信号处理转化为更为灵活的数字域中的信号处理，以便在动态范围、信号质量和信号带宽之间找到最佳平衡点，同时让无线电处理与天线的距离更近。

功耗和封装尺寸大幅削减50-75%
在5G商业部署中，大规模MIMO和波束成型技术占解决方案中的很大一部分，为了支持这些大规模MIMO阵列，要求远端射频单元必须更加紧凑。再就是，传统的无线电系统包含一个处理器、可配置逻辑、连接IP以及数据转换器，在高频下工作时，单通道ADC 的功耗约为2W，DAC的功耗约1.25W，只有减少组件才能降低功耗和封装尺寸，这对高通道数的系统来说效果显著。

All Programmable RFSoC解决了上述这些问题，如图1所示，该器件将通信级RF采样数据转换器（配有数字处理子系统）、ARM处理器以及FPGA等模块全部整合到单芯片器件中，在集成度方面取得了重大突破，同时系统功耗和系统尺寸大幅降低 50-75%。据Xilinx平台产品营销副总裁Tim Erjavec先生介绍，从初步的测量结果看，RFSoC的功耗削减效果明显。在典型的4Tx4Rx天线配置中，功耗约降低40%，8Tx8Rx系统功耗可降低50%。

图1  RFSoC通过集成来减小功耗、封装尺寸

Xilinx通讯市场总监Harpinder S Matharu同时提到，采用传统的分立式转换器建立连接将面临很大的I/O挑战，为了随带宽扩展，大多数新型转换器都使用基于JESD204B协议的速率高达12.5Gb/s的高速串行接口，这种方案存在很多问题。而集成转换器之后就无需再使用 JESD204B IP核和串行收发器，其优势不仅减少了功耗和封装尺寸，还能大大缩短开发时间。

图2  8Tx8Rx无线电架构下RFSoC封装尺寸缩减77%

直接RF采样使设计灵活性大增
除了尺寸、功耗和生产力优势以外，RFSoC另一个不能低估的价值是基于领先的直接RF采样技术的转换器子系统本身的优势。如图3，这种现代化的采样方法可“直接”对进入/流出的RF信号进行采样，无需事先用模拟器件做任何信号调节。此前，大部分系统都采用中频（IF或Zero-IF）采样的模拟化方案，需要将原始信号下变频到ADC支持的采样频率。下变频电路包含混频器、高质量振荡器以及其他模拟器件。这些模拟电路需要高度专业化的设计和复杂的器件选择，设计周期较长。直接RF采样可对流入的RF信号直接进行采样，再利用数字信号处理技术在更为灵活的可编程数字域中完成下变频和信号处理。由于数字域有更好的滤波技术，且这些RF ADC支持更高的采样率，因此能够更好地在动态范围、信号质量（信噪比）和信号带宽之间进行权衡。

图3 直接RF采样提高了RFSoC 的集成度和设计灵活性

这种方案的另一优点是，利用同一器件可满足不同的Tx/Rx线配置和不断演变的标准，因此移动设备厂商可以对市场变化和机遇做出快速响应。尤其是在5G标准尚未最终确定的情况下，该方案特有的灵活性更具价值。

尽管直接RF采样的优势实实在在，随着分立组件递增，优势更为明显。要达到5G，无线制造需要的不仅仅是逐渐改进。对功耗和尺寸削减而言，最有意义的飞跃是全系统集成。通过将RF前端和无线电前端结合到相同数字域，系统和模拟设计就会变得更加灵活。实际上，集成使RF采样成为更适合采用的技术，使行业朝完全软件无线电又迈进一步。

据Tim Erjavec先生介绍，早在2013年Xilinx就进行了RF模拟集成试验，将高性能ADC/DAC集成到Xilinx 7系列 FPGA中，该试验可以算作是RFSoC的设计原型。经过验证、特性描述和客户确认，测试芯片能够消除JESD204接口，展现出了灵活性优势，生产力优势，以及实现通道数量的扩展。而对于刚刚推出的最新RFSoC，Tim Erjavec先生的评价是：“在All Programmable SoC中集成RF信号处理功能，可使客户的系统架构明显改变，有效地助力5G客户商业部署高度差异化和大规模MIMO系统及毫米波回传系统。新型RFSoC 架构的出现，解决了5G无线开发中的一项紧迫问题。”

Xilinx此次推出的产品堪称业界首款All Programmable RFSoC，因此制造工艺的选择也非常严格。Tim Erjavec先生表示，RFSoC将采用台积电（TSMC）先进的16nm FinFET工艺（该工艺具备出色的模拟特性），确保芯片拥有出色的单位功耗性能。