【導讀】4G技術帶領人們走向了更快速的生活，但是在這過程中，隨著時代的演變，總是有一些東西要消失，也總有一些東西會應運而生。那么，4G時代，通信是由什么來掌握呢?我們現有的數字技術，能否掌控4G的基礎設施？讓我們一起來討論吧！
目前許多家庭利用無線局域網(WLAN)接入點為家里的數臺計算機提供互聯網功能。然而，在不久的將來，這些設備將被毫微微蜂窩所替代。這些更小的基站有望廣泛用于家庭和小型商業機構，提供對第4代(4G)通信服務的接入。然而，為了支持這些更高數據速率能力，網絡基礎設施作為一個整體必須進一步減小放大器失真、提高功效并增加輸出功率。射頻和微波設計工程師已經作好了準備贏取這場戰爭的勝利，他們的法寶是充分利用最新的數字技術，數字技術的范圍從先進的數字調制方案、復接、基帶處理和前沿方法到信號處理和線性化等十分廣泛。
轉向數字調制方案以及由這些方案導致的產品演進是無線通信技術非常自然的發展歷程。與模擬調制方案相比，數字技術可以在有限的帶寬上傳輸更多的信息。這種數字調制解決方案非常適合在仍然有限的射頻頻譜上向越來越多的用戶提供越來越多的服務。此外，與模擬技術相比，數字設計通常被公認為具有更多的優勢，如更高的安全性，更強的抗干擾和抗衰落能力。
毫微微蜂窩是更為新的數字調制技術下的產物，這得歸功于像picoChip這樣的公司。該公司營銷副總裁Rupert Baines表示，“我們正在研究的領域是HSPA毫微微蜂窩(通過把基站做得更小更便宜進一步提高效率)和長期演進(LTE；采用64正交幅度調制(QAM)、正交頻分多址(OFDMA)和多入多出(MIMO)實現密集調制)。有趣的是，我們可以把基站做得越來越小、越來越便宜。這樣可以提高信噪比(SNR)，從而真正實現更高的數據速率。”
今年2月份在西班牙舉行的全球移動大會上，picoChip公司演示了兩款最新的picoXcell系統級芯片(SoC)器件PC313和PC323，這兩種單芯片HSPA+毫微微蜂窩SoC分別可以服務8個和24個用戶，經過擴展它們還可以適應更多的用戶。這兩種器件據稱符合第三代合作伙伴項目(3GPP)版本8要求，比如可以達到42Mb/s的下行鏈路和11Mb/s的上行鏈路數據速率。這些器件還滿足版本8對包含MIMO技術的要求，因而能夠滿足企業和“更大毫微微”應用要求的更多實際用戶數量所需的高數據速率和接收密度要求。目前，PC323 SoC可以適合并發用戶數量多達24個的企業、校園、農村和城市使用場合，蜂窩半徑達2km。通過兩個器件的級聯還可以使系統支持的用戶數量增加到48個。
Percello公司的一款SoC據稱也可以降低HSPA+毫微微蜂窩的成本和尺寸。這種型號為PRC6100的單芯片器件最大限度地提高了數字集成度，單個封裝內包含有一個高速MIPS24Kc處理器及其外設、毫微微蜂窩L1引擎(FLE)和嵌入式雙倍數據速率(DDR)內存。因此，它不需要在電路板上增加任何額外的存儲器或數字器件。PRC6100符合3GPP HNB規范要求，最多支持8個用戶，可提供下行21.6Mb/s和上行5.76Mb/s的HSPA+數據速率。
第三代(3G)HSPA/HSPA+和4G長期演進(LTE)移動數據業務的興起導致帶寬需求突飛猛進。這種需求反過來又刺激微波回傳領域中先進的調制和復用技術的開發和實現。阿爾卡特－朗訊(Alcatel-Lucent)公司無線傳輸產品事業部產品策略經理Paolo Volpato指出，“如今業界已經成功地使用一個無線電單元實現了超過1Gb/s的容量。實現這種突破性的特殊技術包括高調制方案(高達512QAM)的應用、自適應代碼調制(ACM)的開發以及針對頻率復用的先進交叉極性抵消系統的使用。”
他繼續指出，“例如，ACM可以更高效地處理無線電鏈路中的實時動態容量變化(由于衰落或可變天氣條件引起的變化)。為了應對這些變化，調制方式會隨之變化：確保高優先級服務始終比盡力而為的流量更優先地提供。然而，應用ACM也會引起挑戰：在上行鏈路的無線電方向會發生擁塞，這是由于管理來自不同接入源的新興業務的當代節點式混合微波設備的局限性引起的。”
Volpato解釋說，這些混合微波設備同一上行鏈路無線電信道的兩個固定部分處理時分復用(TDM)和數據業務。TDM業務經常得到固定大小的帶寬，并加以靜態保留。基于這種情況，自適應調制技術只能應用于當前業務環境中的數據部分。這種情況源自TDM服務使用固定時隙、即便其中一些時隙空閑也要傳輸這樣的事實。當擁塞發生時，不管相對優先級如何，所有數據業務都會受到影響(包括互聯網協議語音(VoIP)在內)。
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最新代微波數據包無線電設備正在努力克服這種限制，這些設備將所有類型的業務都當作可以用單個以太網交換機發送的數據包進行處理。它們在無線電方向上也采用統計復用技術，以便更好地利用信道容量。例如，阿爾卡特－朗訊公司的9500微波數據包無線電設備借助自適應調制技術支持在延時和抖動方面獨立于網絡負荷的確定性行為。服務作為優先級的函數進行處理。例如，固有的TDM語音被轉換為數據包，并與VoIP結合在一起，以便微波數據包無線電設備僅需處理單個語音服務。
這些系統解決方案的基礎在于同樣依賴于數據技術的元件設計的發展。例如，為了回答減小放大器失真、提高功效和增加輸出功率的問題，Scintera公司最近與Richardson Electronics公司合作向市場推出SC1887功率放大器(PA)(圖1)。這種功率放大器據稱無需訪問同相/正交(I/Q)基帶信號就能提供迫切需要的線性來改善效果。SC1887自適應射頻功放線性化電路(RFPAL)據稱可以提供高達26dB的相鄰通道泄漏比(ACLR)。這種解決方案不需要使用模數轉換器(ADC)或數模轉換器(DAC)。借助Scintera公司的射頻功放線性化電路，設計工程師可以在射頻域中完成復雜的信號處理。這種解決方案可以應用于種類廣泛的各種信號，包括2G、3G、4G和其它調制類型，因為其模擬信號處理引擎能夠線性化高效率的功放拓撲。
圖1：這種系統級芯片解決方案可以提供射頻功率放大器預矯正所需的所有功能
據Scintera公司銷售與營銷副總裁Kris Rauch表示，“這款IC通過集成有先進模擬電路的片上微控制器實現了受數字控制的可編程模擬信號處理器。這種解決方案可以利用軟件重新配置，從而支持廣泛的調制類型和所有工作條件下的信號帶寬。”
Richardson Electronics公司射頻/微波產品部副總裁Chris Marshall表示，“Scintera的模擬預矯正方法吸引了許多人的關注，因為這種方法很容易實現。作為一種射頻至射頻解決方案，它可以應用于不能訪問基帶信號的功放設計。雖然高達26dB的潛在ACLR改進沒有數字預矯正(DPD)設計那么突出，但最小工程成本和相對較低的單元價格對較小規模的生產運轉以及中繼器和其它低功耗設計來說極具吸引力，因為在這些場合DPD開銷變得非常大，其相對較低的操作成本無法抵消價格的顯著上升。”
諸如DPD和振幅因子減少等先進數字算法在線性化功放和改進發射器效率(從不到10%提高到40%以上)方面變得越來越流行，亞諾德半導體公司(ADI)通信基礎設施區域小組區域應用工程師Gina Colangelo表示。她強調指出，DPD要求使用帶高帶寬ADC的觀察接收器實現耦合式功放輸出的下變頻。先將數字版本的發射波形與接收到的波形進行比較，然后由自適應算法計算/更新全套系數來預加載下一個發射波形。隨著自適應算法的收斂，功放得到線性化，輸出失真得到顯著減小。與前向反饋線性化等其它模擬線性化方法相比，速度的提升和采用更精細的走線工藝使得DPD對多天線發射系統來說顯得更具可擴展性。
如上所述，很高速度的DAC在今天的無線基礎設施中也扮演著重要的角色，因為它們是主要的信號發生器。Colangelo指出，“這些DAC正在執行原本由包括基帶處理器在內的各種額外電路元件完成的許多功能。另外，數據接口越來越多的使用低壓差分信號(LVDS)可以使數據速率高達1200Msamples/s甚至更高，同時保持較低的功耗和電源電壓。DAC的高輸入數據速率有助于增加發射路徑的輸入帶寬，允許更高階的DPD算法或更寬的校正帶寬。LVDS還具有輻射低的特性，可以提供更好的抗噪聲性能和時序性能。”
最新的信號處理DAC，如ADI的AD9122 TxDAC+，可以在復雜的中頻(IF)直接轉換架構中工作。這些DAC提供完全調制的中頻I和Q信號，這些信號可以通過模擬正交調制器和功放直接饋入天線，不需要額外的信號調制。
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通過利用數字超導技術，Hypres公司已經能夠開發出在采樣速度、分辨率和帶寬方面超過目前ADC產品的ADC器件(圖)。當在射頻或微波收發器中使用時，這種數字超導技術允許非常寬帶的射頻信號或微波信號直接在天線之后被數字化。Hypres公司首席執行官Richard Hitt指出，這種技術不需要使用下變頻器或多個ADC、濾波器和放大器，“在信號鏈頂端(接近天線)如此精確快速地數字化這么寬頻譜的信號建立起了通達真正全數字系統的路徑，數字基帶現在有了真正數字的配套前端。對于射頻和微波工程師來說，不再需要設計工作區來幫助提升或調整在通往數字基帶處理器的流行模擬信號鏈前端中質量受到損傷的信號。”
當在射頻或微波收發器中實現時，數字超導技術技術允許在天線后對寬帶射頻或微波信號直接數字化
正如上述幾個為數不多的例子表明，豐富的前沿數據技術正在為下一代基礎設施設計師提供看似永無窮盡的功能選項。就像一般的前沿新興技術一樣，其中一些技術已經在互相競爭。另外，由于費用、可靠性、穩健性和性能問題，有許多技術可能還不是解決現實問題的實用解決方案。不過，不管哪種解決方案能贏得LTE的青睞，有件事是確定的：無線基礎設施的未來將越來越多的依賴于數字技術。
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