Ретранслятор миллиметрового диапазона на 60 ГГц используется для повышения емкости сотовой связи

Постоянно увеличивающиеся требования к передаче данных в сотовых сетях заставляют операторов искать пути повышения их емкости, которая, по прогнозам, возрастет в 5000 раз к 2030 году [1]. Для этого понадобится пятикратное увеличение пропускной способности каналов связи, 20‑кратное увеличение выделенного спектра частот и 50‑кратное увеличение количества сотовых ячеек.

Множество таких сот будет устанавливаться внутри зданий, где зарождается большое количество трафика, и в этом случае лучшим решением для линий связи являются оптические каналы. Но для сот, расположенных вне помещений, оптические каналы невозможны либо слишком дороги, и здесь альтернативой становятся беспроводные ретрансляторы.

Нелицензируемый спектральный диапазон 5 ГГц доступен и может использоваться для расстояний за пределами прямой видимости. Тем не менее его пропускная способность ограниченна и помехи от других пользователей практически гарантированы из-за большого трафика и широкой диаграммы направленности антенн.

Линии связи в диапазоне 60 ГГц рассматриваются в качестве основного варианта для каналов передачи данных между многими тысячами сотовых ячеек, которые расположены вне помещений и нужны для обеспечения требуемой емкости сети. Этот частотный диапазон тоже не лицензирован, но в отличие от частот ниже 6 ГГц он содержит до 9 ГГц доступной пропускной способности. Более того, высокая частота позволяет использовать очень узконаправленные и, следовательно, малочувствительные к помехам антенны.

Полностью готовое решение для двунаправленных линий связи диапазона 60 ГГц разработано компаниями Xilinx и Hittite Microwave (сейчас — отделение компании Analog Devices). Оно обладает превосходной производительностью и гибкостью, необходимой для ретрансляторов рынка малых сотовых ячеек (рис. 1). Компания Xilinx разработала для этой платформы цифровой модем, а Analog Devices — приемопередающую часть миллиметрового диапазона.

Рис. 1. Высокоуровневая блок-схема полной двунаправленной линии связи

Для создания такой линии связи требуются два узла (рис. 1). Каждый из них содержит передатчик с модулятором и связанные с ним аналоговые выходные цепи и приемник с демодулятором и аналоговым входным трактом.

Модемная карта объединяет аналоговые и цифровые части: модуль DPLL предназначен для точного синтеза частот, а все цифровые функции выполняются на ПЛИС и СнК. Работающее на одной частоте ядро модема поддерживает режимы модуляции от QPSK до 256 QAM с пропускной способностью канала до 500 МГц при скорости передачи до 3,5 Гбит/c. Модем обеспечивает дуплексные режимы как с разделением по частотам (FDD), так и по времени (TDD), имеет пониженный уровень фазового шума, а примененный в нем мощный алгоритм помехоустойчивого кодирования типа LDPC повышает производительность линии связи.

Модем миллиметрового диапазона

Решение для модемов миллиметрового диапазона, разработанное компанией Xilinx, позволяет поставщикам оборудования создавать гибкие, оптимизированные по стоимости и настраиваемые под требования заказчика линии связи для беспроводных сетей. Это решение базируется на устройствах программируемой логики Xilinx Zynq‑7000 SoC или ПЛИС Kintex‑7 FPGA. Обе платформы являются частью семейства ПЛИС Xilinx, изготовленных по передовой 28‑нм технологии.

Решение от Xilinx полностью адаптируемое, имеет малую потребляемую мощность и небольшие размеры. Оно может использоваться как внутри помещений, так и вне их для микроволновых соединений типа «точка-точка», а также «точка-несколько точек». Так же как и полупроводниковая продукция Xilinx, дорожная карта по радиомодемам миллиметрового диапазона очень агрессивна, предоставляет операторам уникальную возможность развертывать масштабируемые и обновляемые в полевых условиях системы.

Цифровой модем, реализованный на платформе Zynq SoC, изображен на рис. 2. Наряду с программируемой логикой (PL) масштабируемая система процессорной обработки данной платформы (PS) содержит сдвоенное ядро ARM Cortex-A9 с интегрированными контроллерами памяти и мультистандартными пинами ввода/вывода для периферийных устройств.

и Все программируемые СнК для построения беспроводных модемов

Такая система на кристалле (СнК, SoC) является чрезвычайно гибкой платформой. В этом случае она используется для выполнения различных функций по передаче данных и управлению, а также осуществляет аппаратное ускорение. Законченное решение для модема миллиметрового диапазона, содержащего физический уровень (PHY), контроллер, системные интерфейсы и процессор обработки пакетов, показано на рис. 2. Тем не менее, оставаясь в рамках представленной архитектуры, можно вставлять, удалять и изменять отдельные модули. Например, есть возможность реализовать XPIC (созвездие с перекрестно-поляризованной интерференцией Cross Polarisation Interference Canceller), смеситель (combiner), чтобы использовать модем в режиме перекрестной поляризации совместно с другим модемом. Решение выполнено на программируемой логике (ПЛ, PL), где ячейки ввода/вывода используются для реализации различных интерфейсов, таких как интерфейсы между модемом и обработчиком пакетов, обработчиком пакетов и памятью, а также для работы с ЦАП/АЦП.

В числе других важных особенностей Xilinx модема следует отметить ряд функций: прозрачное и безошибочное переключение между состояниями с помощью алгоритмов адаптивного кодирования и модуляции (ACM) для сохранения работоспособности канала; адаптивное цифровое предыскажение в замкнутом контуре (DPD) для повышения эффективности радиочастотного усилителя мощности и линейности; применение кодов Рида — Соломона или же кодов низкой плотности контроля по четности (LDPC) с прямой коррекцией ошибок (FEC). Выбор конкретного метода основан на требованиях к конструкции. По умолчанию метод LDPC применяется для беспроводных транспортных сетей, в то время как кодирование Рида — Соломона предпочтительно для систем с низкой латентностью, таких как обработка видеосигналов. Все эти функции реализованы в виде IP-ядер.

Реализация алгоритмов LDPC высоко оптимизирована и использует параллельные вычисления, имеющиеся в ПЛИС для кодирования и декодирования. В результате достигнут заметный прирост отношения сигнал/шум (SNR). Можно оптимизировать декодер по размеру и потребляемой мощности путем выбора количества параллельно работающих ядер или же количества итераций на одном ядре. Таким образом можно находить оптимальные решения, основанные на полосе пропускания и скоростных ограничениях конкретного канала.

Модем Xilinx поставляется вместе с мощным графическим интерфейсом пользователя (GUI) как для отображения информации, так и для отладки. С его помощью можно управлять как высокоуровневыми функциями, например задать полосу пропускания и тип модуляции, так и низкоуровневыми, в частности доступом к отдельным аппаратным регистрам. Для достижения пропускной способности 3,5 Гбит/c для решения, показанного на рис. 1, функциональные ядра работают на тактовой частоте 440 МГц. Кроме того, используются гигабитные трансиверы (GTs) для интерфейса с АЦП и ЦАП, передачи данных через 10Gb Ethernet или интерфейс CPRI (Common Hublic Radio Interface).

Чипсет трансиверов для диапазона миллиметровых волн

В конце 2014 года компания Analog Devices выпустила набор кремне-германиевых устройств (SiGe) второго поколения для частоты 60 ГГц. Этот набор со значительно улучшенными параметрами оптимизирован для применения в ретрансляторах малых сотовых ячеек. Устройство типа HMC6300 представляет собой законченный аналоговый модулирующий повышающий конвертер миллиметрового диапазона. Улучшенный синтезатор частоты покрывает диапазон от 57 до 66 ГГц с шагом 250 МГц, с малым фазовым шумом. При этом поддерживается модуляция вплоть до 64 QAM. Выходная мощность увеличилась примерно на 16 дБм (линейной мощности), а встроенный детектор мощности контролирует ее так, чтобы не превышать нормативных ограничений.

Передатчик допускает аналоговое или цифровое управление цепями усиления трактов ПЧ и РЧ. Аналоговое управление усилением иногда требуется при использовании модуляторов высокого порядка, когда дискретные изменения усиления могут быть ошибочно приняты за амплитудную модуляцию, что приводит к битовым ошибкам. Цифровой регулятор усиления управляется при помощи встроенного интерфейса SPI.

Для применений, требующих модуляции более высокого порядка в узких каналах, вместо внутреннего синтезатора может использоваться внешний ФАПЧ/ГУН с еще более низким фазовым шумом. На рис. 3 показана блок-схема устройства HMC6300.

Рис. 3. Блок-диаграмма микросхемы 60 ГГц передатчика HMC6300

Передатчик поддерживает полосу пропускания вплоть до 1,8 ГГц. Опция модуляции с минимальной частотной манипуляцией (MSK) modulator option позволяет осуществлять передачу данных со скоростями до 1,8 Гбит/c с малыми затратами и без использования дорогих и много потребляющих ЦАП.

Комплементарным к этому передатчику является чип приемника типа HMC6301, также оптимизированный для удовлетворения высоких требований к соединениям для мелких сотовых ячеек. Характеристики приемника были серьезно улучшены в плане повышения уровня чувствительности P1dB до –20 дБм и уровня точки пересечения третьего порядка IIP3 до –9 дБм, что позволяет системе успешно работать на коротких линиях связи с высоким входным уровнем сигнала.

Другие функции включают в себя низкий 6‑дБ уровень шума при максимальном усилении; регулировку нижних и верхних частот модулирующих фильтров; новые, такие же, как в передатчике, синтезаторы, которые поддерживают модуляцию типа 64 QAM в полосе частот 57–66 ГГц, а также аналогового и цифрового управления усилением трактов ПЧ и РЧ.

Блок-диаграмма приемника HMC6301 показана на рис. 4. Следует отметить, что в приемнике предусмотрен амплитудный детектор, для демодуляции двоичных АМ-сигна-лов. Имеется также дискриминатор сигналов ФМ для демодуляции простых ФМ и MSK-модулированных сигналов. Все это является дополнением к квадратурному демодулятору, который используется для восстановления сигналов QPSK и более сложного QAM.

Рис. 4. Блок-диаграмма микросхемы 60 ГГц приемника HMC6301

Как передатчик HMC6300, так и приемник HMC6301 выпускаются в корпусах BGA размером 4×6 мм. Их обозначение — HMC6300BG46 и HMC6301BG46. Образцы приборов доступны с начала 2015 года. Эти приборы с поверхностным монтажом сделают возможным производство плат обработки радиочастотного сигнала малой стоимости.

На рис. 5 изображена блок-диаграмма, показывающая пример построения радиомодема миллиметрового диапазона. В дополнение к ПЛИС, программному обеспечению модема и набору приемопередатчиков миллиметрового диапазона конструкция модема содержит ряд других компонентов. В их число входят двухканальный 12‑разрядный 1‑GSPS/s АЦП AD9234; четырехканальный 16‑битный со скоростью до 2,8 GSPS/s ЦАП AD9144; синтезатор частоты типа HMC7044 с ультранизким джиттером и поддержкой интерфейса последовательной передачи данных JESD204B, который используется также для управления АЦП и ЦАП.

Рис. 5. Пример референс-дизайна с использованием устройств Xilinx и Analog Devices

Демонстрационная платформа

Компании Xilinx и Analog Devices создали демонстрационную платформу, включающую в себя модем на ПЛИС. Основой для этого послужил отладочный комплект Xilinx KC705, мезонинная плата расширения стандарта FMC, позволяющая подключать к ней высокоскоростные ЦАП, АЦП и синтезатор частот, а также две отладочные платы приемного и передающего модуля (рис. 6). Демонстрационная платформа включает ноутбук для управления модемом и визуального отображения, переменный ВЧ-аттенюатор для задания потерь, характерных для линии миллиметрового диапазона. На плате KC705 компании Xilinx установлен чип ПЛИС Kintex‑7 XC7K325T‑2FFG900C, в который загружена прошивка IP-ядер модема WBM256. Платы радиоканала подключаются к плате разработчика ПЛИС через промежуточный мезонинный модуль стандарта FMC.

Рис. 6. Демонстрационная платформа в работе

Модули миллиметрового диапазона установлены на платах модуляторов/демодуляторов. Они имеют разъемы типа MMCX для интерфейсов 60 ГГц, а также разъемы типа SMA для подключения дополнительного внешнего генератора.

Платформа содержит все аппаратное и программное обеспечение, необходимое для демонстрации дуплексного соединения типа «точка-точка» со скоростью до 1,1 Гбит/с в каналах с полосой 250 МГц в каждом направлении с частотным разделением.

Модульное и настраиваемое решение

ПЛИС все чаще используются в различных беспроводных решениях для транзитных соединений, так как платформы, основанные на них, отличаются модульностью и настраиваемостью, тем самым снижая общую стоимость владения для OEM-производителей. Благодаря значительному повышению производительности своих ПЛИС/СнК 7‑й серии и применению высокопроизводительных широкополосных IP-ядер Xilinx ожидает, что ее решение для радиомодема миллиметрового диапазона станет фаворитом применения в ретрансляторах для малых сотовых ячеек. ПЛИС и СнК компании Xilinx отлично подходят для высокоскоростных и энергоэффективных конструкций, а их высокоскоростные последовательные трансиверы типа GT могут эффективно использоваться для широкополосной коммуникации и коммутационных функций. Решение Xilinx легко масштабируется для поддержки нескольких вариантов продукта, от простейших моделей со скоростью в несколько сотен мегабит в секунду до решений класса high end со скоростью 3,5 Гбит/с на той же аппаратной платформе.

В радиочастотном тракте приемопередатчики теперь интегрированы в кремниевых интегральных схемах, размещаемых в корпусах для поверхностного монтажа, что позволяет производить печатные платы с низкими затратами. Чипсет приемопередатчиков миллиметрового диапазона компании Analog Devices отвечает потребностям ретрансляторов малых сотовых ячеек и обеспечивает лидирующие показатели по производительности, мощности, размеру, гибкости и функциональности. Компания Analog Devices также выпускает лучшие в отрасли преобразователи данных и микросхемы управления тактовой частотой, применение которых в описываемом радиомодеме имеет критическое значение. Обе компании намерены совместно продвигать эту перспективную технологию на рынок.