正確的DAC可以簡化你的下一個5G或LTE MIMO設計---凱利訊半導體

　　空間多樣性使用多輸入、多輸出(MIMO)發送和接收天線方案了IEEE 802.11(5 GHz wi - fi),但現在對LTE和5

g無線變得越來越重要,設計師需要仔細看看它是如何工作的,和數模轉換器(dac)扮演的關鍵角色在實現最優設計。

　　無線通信的設計者在滿足項目的多個目標時通常面臨著挑戰。首先，它們必須達到最小比特誤碼率(BER)。與此同時，他們必須努力減少電力供應，同時節約帶寬。當然，這些目標在某種程度上是矛盾的:改善BER的最簡單方法是提高功率，因為這樣做會增加信噪比(信噪比);而且，使用更多的帶寬通常是改善BER的一種方法。

　　在系統級，提高性能和實現這些目標的目標通常始於一個複雜的數據編碼方案，它壓縮了比特流，並增加了錯誤檢測和校正。然而，一旦數據處理完成，實現鏈路目標的負擔落在傳輸端放大器和天線，以及接收端天線和前端。

　　為了提高性能，工程師們利用了三種不同技術中的一種或多種技術:

　　時間多樣性:在最簡單的術語中，這意味著多次重複該消息，包括插入它，如圖1所示。

　　時間分集技術圖。

　　圖1:在時間多樣性中，信息重複一遍或多次以克服信道中的雜訊，作為冗餘的一種形式;它經常與其他消息交叉。(圖片由凱利訊半導體提供)

　　頻率多樣性:使用更多的帶寬或通道，包括跳頻和擴頻技術，可以克服頻譜部分的雜訊;參見圖2。

　　頻率分集技術圖。

　　圖2:在頻率多樣性中，信息在兩個或多個通道上傳輸，可以同時或連續地傳輸，以避免頻譜中的雜訊。(圖片由幻燈片提供，通過http://Slideshare.net)

　　空間多樣性:在發射端或接收端使用兩個或多個天線，為無線鏈路提供更多的物理路徑;參見圖3。

　　空間分集技術圖。

　　圖3:在空間多樣性中，消息通過兩個或多個物理路徑傳輸，以提高性能和本地雜訊，並避免物理障礙。(圖片由幻燈片提供，通過http://Slideshare.net)

　　雖然前兩種技術已經被廣泛應用了很多年，但由於技術原因，空間多樣性滯後。然而，最近它得到了相當大的關注:它已經被LTE設備所使用，並且是無線手機和mesh網路的5G無線標準MIMO(多輸入/多輸出)空間多樣性的一部分;見圖4。

　　基本MIMO系統圖。

　　圖4:在一個基本的MIMO系統中，在數據鏈路的傳輸和接收端都使用多個天線;在這裡，兩端各有兩個天線。(圖片由凱利訊半導體)

　　注意文中拓撲不對稱,並分類發送和接收天線的數量:一個3×3 MIMO的有三個,而一個3×2版本有三個發射機天線和兩個接收機天線。

　　一個術語說明:這可能有點違反直覺，但是MIMO中的「輸出」項並不是指發送器輸出;相反，它指的是從接收器前端到信號鏈的輸出，所以它是鏈接的輸出。類似地，「輸入」是指對發射機PA和無線電鏈路的輸入，而不是接收方的輸入。

　天線系統基礎知識

　　MIMO是一種提高鏈路性能(改進SNR，降低功率要求)的技術。使用MIMO和空間多樣性有幾個優點:

　　通過控制發送給每個天線的信號的相對信號時序(相移)，或者由每個天線接收到的信號，該鏈路可以產生靜態波束形成，甚至是動態的波束轉向。(相移利用多個波面之間的建設性和破壞性干涉原理，以期望的方向引導能量。)這種波導使發射機能夠聚焦於所期望的接收器(通過發射機波束轉向)或接收器聚焦於所期望的接收器(通過接收方的波導)，從而潛在地減少干擾、雜訊源和物理障礙的影響。

　　即使干擾不是一個問題，波束形成允許發射機瞄準接收機(反之亦然)，因此使用更少的傳輸功率，同時仍將足夠的功率傳輸給預定的接收機;它可以減輕鏈路多路的負面影響。

　　MIMO還提高了其他通道和鏈路的全系統性能，因為它減少了不必要的射頻能量。

　　如果MIMO是個好主意，為什麼不經常使用它呢?在無線Wi-Fi路由器等消費類產品中，採用了一種基本的分散天線結構，以提高性能，減少射頻盲點;但是移動應用程序在波長、電路複雜度、處理要求和成本方面都有額外的考慮。

　　例如,要有效,多個天線需要間距為至少四分之一波長(1 GHz,30厘米波長,所以λ/

4是約7.5厘米)。因此，在低頻時，MIMO只適用於固定(靜止)情況。然而,樂隊的使用在2.4 GHz,5.4 GHz,高(5

g進入數萬GHz)使它適合攜帶型設備,如智能手機和智能設備如網狀網路節點λ/ 4減少。

　　此外，MIMO需要更多的電路。在發射端，它需要額外的PAs、耦合器和天線;在接收端，它還需要額外的天線、前端耦合器和低雜訊放大器(LNAs)，儘管一些MIMO設計使用單個LNA，在天線之間切換。

　　第三個因素是，MIMO需要更多的處理能力來處理與非MIMO相比的多波束和天線，在接收端需要更多的處理來理解接收信號的混亂。這種馬力意味著更高的功耗。

　　儘管有這些因素，但值得注意的是，MIMO的變體已經成功地應用於非5g

/非網格應用，如遠程大氣-無線電連接。它也是相控陣雷達的基礎，在那裡，數百個天線被小心地相位控制以電子控制雷達。在這種情況下，發射天線和接收天線是相同的物理組件，通過發射/接收開關連接到PA和LNA。

那可以簡化

　　MIMO不需要是對稱的，它的發射和接收天線數量相等。一種叫做SIMO

-單輸入，多輸出的特殊變體，它使用幾個接收器天線，但在發射器上只有一個天線;參見圖5。在接收端由於其位置或環境RFI而導致接收問題的情況下，可以使用此方法。

　　MIMO系統的簡化複雜變數圖。

　　圖5:MIMO系統的簡化複雜變數在發射機和接收器上使用單天線(SIMO);或者是在發射機的多個天線和接收器(MISO)的單個天線。(來源:凱利訊半導體)

　　由於MIMO的固有複雜性，一些應用程序選擇使用另一個被稱為MISO的簡化版本(多輸入、單輸出)。這種多樣性的拓撲只在發射機上有多個天線，而不是在接收器上。這樣做似乎並不比SIMO簡單，但事實並非如此。MISO實際上大大降低了MIMO拓撲的電路和處理負擔，比簡單的「1

/ 2」要小得多，而且遠沒有SIMO複雜。

　　為什麼會有這樣的差異呢?這是由於發射信號的固有性質，而不是接收信號。從信號理論的基本原理，以及實際的實踐，我們知道傳遞一個給定的信號比接收它要容易。原因是發射是一個很大的確定性過程，在已知的和相當溫和的環境中有一個已知的信號，並且有最小的雜訊和失真問題。

　　相反，接受是一個困難的過程。在一個未知的甚至是充滿敵意的射頻環境中，接收器在捕獲和理解一個很大程度上未知的信號方面面臨著許多挑戰。接收到的信號有許多可能的損傷類型:信道雜訊、抖動、失真、衰落、多路、載波調優、甚至是基於doppler的漂移，當然還有低信號級和低信噪比。

　　MIMO版本的MIMO識別了實現難度的差異，因此將重點放在更複雜的發射機上，但保留了單天線接收器。這使得在電路和信號處理方面的最小額外投資獲得最大的性能提升。與此同時，如果需要，MISO方法可以升級到完全MIMO而無需重新設計發射機，因此可以將其視為從標準的單天線設計到完全MIMO方法的一步。

　　正確的組件使MISO和MIMO更加容易。

　　由於MISO是MIMO的一個有吸引力的子集，並且也可以作為全功能MIMO拓撲的一部分，供應商已經引入了模擬前端(AFE)，可以幫助實現它。

　　在構建MISO系統時，許多問題之一是保持定時對齊和消除不同通道之間的相變(時序變化對應於相移，相移產生波束轉向模式的變化)。因此，設計系統以確保處理器與每一個多傳輸DACs之間的時間延遲一致，這是至關重要的。

　　在高性能相控陣雷達系統的極端情況下，即使是由於不同的射頻電纜的溫度係數不同，通道間的微小相位變化也會嚴重降低性能。如果像DACs這樣的關鍵組件有幫助實現它的特性，那麼這個時間需求就得到了幫助。

　　MISO/MIMO-friendly集成電路的一個例子是LTC2000A系列16-/14-/11-bit, 2.5 Gsamples/s

DACs(圖6)。這些DACs的單個(1.25 Gsample/s模式)或雙(2.5 Gsample/s模式)同步LVDS介面使用625 MHz

DDR數據時鐘，支持高達1.25 Gbits/s的數據速率。

　　線性技術LTC2000A系列16-/14-/11-bit, 2.5 Gsample/s DACs。

　　 圖6:LTC2000A系列16-/14-/11-bit, 2.5 Gsample/s

DACs來自線性技術公司，非常適合MIMO和MISO的設計，因為它包含了一個寄存器，用於校正多個傳輸通道之間的時間對齊不匹配。(圖片由線性技術提供)

　　首先，這些DACs具有特殊的光譜純度，這種設計必須有「必須具備」。設備特點:

　　80dbc SFDR (spuriousfree dynamic range)，輸出頻率為70 MHz;

　　SFDR大於68 dBc從DC到1000mhz;

　　從DC到1000mhz的>78 dBc雙音IMD(互調失真);

　　小於-165 dBc/Hz加相位雜訊在1 MHz偏移量為65 MHz輸出。

　　家庭中的所有DACS都包含一個內部寄存器，它允許系統通過DAC來調整(微調)數據延遲。對於LTC2000A，最大時間錯配調整是在多dac設計中需要的採樣時鐘周期的0.4周期(圖7)。

　　即使設計表面上滿足了在picoseconds內匹配通道到通道時間的目標，在傳輸路徑上的每個DAC都可以進行微調，以消除由於熱漂移等因素造成的任何剩餘不匹配或變化。

　　為MIMO和相關係統設計了線性技術LTC2000A系列。

　　圖7:LTC2000A家族是為MIMO和相關係統設計的，其中一個FPGA驅動多個DACs和它們的傳輸通道。(圖片由線性技術提供)

　　鑒於GHz-rate MISO或MIMO設計的複雜性，評估或演示板非常重要。LTC的DC2191A演示電路支持LTC2000 DAC,

DAC驅動他們的LT5579上轉換混合機，見圖8。DAC如果(中頻)的電路輸出優化模擬從直流到500

MHz頻率,當電路在羅(本地振蕩器)的輸入進行了優化頻率從1000兆赫到4300兆赫,和射頻電路的輸出進行了優化頻率從2200兆赫到2600兆赫。

　　線性技術DC2191A演示電路示意圖。

　　圖8:DC2191A示範電路練習LTC2000A DACs，並與Altera層x

IV演示板一起使用;演示電路還包括一個LT5579上轉換混合器來產生輸出射頻信號。(圖片由線性技術提供)

　　一個Altera層板IV演示板用於向DC2191提供數據，這對板通過USB埠連接到PC上。與ltc提供的演示軟體一起，演示設置可以用於創建複雜的波形，然後將它們載入到FPGA中，以測試DC2191和DAC使用PC作為控制器(圖9)。

　　線性技術的圖像DC2191A演示軟體。

　　圖9:由DC2191A演示提供的軟體允許用戶通過usb連接的PC創建複雜的波形，然後將其載入到FPGA中測試DC2191和LTC2000

DAC。(圖片由線性技術提供)

結論

　　提供越來越高的數據率和可靠的傳輸，並且在更高的頻率上這樣做，是一個越來越困難的挑戰。為了成功，設計師使用時間、頻率和空間多樣性技術。後一種拓撲結構，通常稱為MIMO，用於多個輸入、多個輸出，已經被用於大型、固定的安裝，以及5

GHz的Wi-Fi，但作為移動LTE和5G手機的一部分，以及mesh-network的設計，現在越來越受到重視。

　　在一個典型的實現中，在發射機或接收端使用多個天線，或者在數據鏈路兩端使用。雖然MIMO和更簡單的天線多樣性的變體提供了改進的信噪比、BER和動態波束形成，MIMO系統的設計需要密切注意在多個傳輸通道上的信號時序，因此它有助於識別具有為MIMO發射器優化的架構和內部特性的專門DACs。

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