NxN MIMO基站與外部時(shí)序設(shè)計(jì)同步

本文討論一個(gè)高性能時(shí)鐘發(fā)生器如何配合一個(gè)或多個(gè)集成收發(fā)器工作，以便簡化整體設(shè)計(jì)、降低復(fù)雜度和成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)出色的系統(tǒng)接收和發(fā)射性能。即使基站長時(shí)間丟失時(shí)序參考信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)中的所有其他基站仍能保持同步。針對(duì)電信基站，系統(tǒng)架構(gòu)師需要花費(fèi)相當(dāng)多的精力和時(shí)間設(shè)計(jì)高性能時(shí)鐘和正弦波振蕩電路。單芯片收發(fā)器雖然整合了許多此類信號(hào)發(fā)生器，但仍然需要一個(gè)參考時(shí)鐘。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的各基站一般相互同步，因此該參考時(shí)鐘必須與一個(gè)全網(wǎng)絡(luò)時(shí)序信號(hào)保持時(shí)序一致。

基站時(shí)鐘架構(gòu)
最常提到的一個(gè)基站參數(shù)是其載波（或本振）頻率。產(chǎn)生本振的頻率合成器是基站的重要組成部分，但正如所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都知道的那樣，本振只是基站需要的多個(gè)內(nèi)部頻率中的一個(gè)。單就收發(fā)器而言，除了向混頻器級(jí)提供載波頻率的本振(LO)以外，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器需要采樣時(shí)鐘，數(shù)字濾波器需要時(shí)鐘，I/O總線則通常需要數(shù)據(jù)時(shí)鐘。

使用集成收發(fā)器，系統(tǒng)架構(gòu)師可以節(jié)省大量設(shè)計(jì)時(shí)間和成本，如圖1中的虛線框所示。除了接收器和發(fā)射器電路以外，單芯片收發(fā)器還集成鎖相環(huán)(PLL)，以產(chǎn)生各種信號(hào)處理模塊所需的時(shí)鐘和正弦信號(hào)。不過，再高集成度的收發(fā)器也需要參考時(shí)鐘輸入。

諸如ADI公司AD9356和AD9357之類的單芯片2×2多輸入/多輸出(MIMO)收發(fā)器，提供兩種不同的參考時(shí)鐘選項(xiàng)。一種是將一個(gè)外部晶振配合片內(nèi)數(shù)字控制調(diào)整電路(DCXO)使用，另一種是為器件提供一個(gè)外部時(shí)鐘。AD9356/7接受32～48MHz范圍內(nèi)的參考時(shí)鐘頻率。

用戶端設(shè)備(CPE)等用戶站使用基站所發(fā)送的信息與無線網(wǎng)絡(luò)同步。CPE設(shè)備會(huì)微調(diào)其本振頻率，同時(shí)也會(huì)與基站主時(shí)鐘保持時(shí)間同步。因此，上述外部晶振加DXCO選項(xiàng)是針對(duì)此應(yīng)用的一種低成本、高性能解決方案。

基站會(huì)有其他要求。例如，運(yùn)營商通常要求特定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有站點(diǎn)的幀和符號(hào)邊界保持時(shí)序一致。由于基站負(fù)責(zé)向其相關(guān)用戶站提供時(shí)序信息，因此這一要求意味著網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有基站必須鎖定至一個(gè)外部時(shí)序參考。系統(tǒng)架構(gòu)師使基站同步的方法一般有兩種。一種方法是使用GPS接收機(jī)所提供的1pps（脈沖/秒）輸出，另一種方法則使用IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)時(shí)序協(xié)議。無論何種情況，圖1所示的收發(fā)器參考時(shí)鐘輸入均與時(shí)序參考（例如，1pps GPS時(shí)鐘）同步。

基站參考時(shí)鐘設(shè)計(jì)考慮
如圖1所示，集成收發(fā)器將參考時(shí)鐘用作PLL的輸入。如果是RF PLL，基站會(huì)將參考時(shí)鐘倍乘至最高為LO頻率。此乘法系數(shù)可以是8或更大。因此，為使收發(fā)器實(shí)現(xiàn)高性能，參考時(shí)鐘的相位噪聲必須非常低。

圖1  2x2 MIMO基站收發(fā)器架構(gòu)

參考時(shí)鐘還必須與外部時(shí)序參考同步，對(duì)于GPS，它是1pps。

同步的一個(gè)重要結(jié)果就是“保持”的概念。如果時(shí)序參考丟失（例如，建筑物在每天的某一時(shí)間段擋住GPS衛(wèi)星信號(hào)），參考時(shí)鐘必須保持與存在時(shí)序參考情況下一樣的狀態(tài)。ANSI/T1.101-19873等標(biāo)準(zhǔn)將保持要求劃分為多種層次，每種層次均規(guī)定了特定時(shí)間內(nèi)允許的不同最大偏移。Stratum 3E是Bellcore GR-1244-CORE4所定義的一個(gè)附加層次，它要求時(shí)鐘源在24小時(shí)內(nèi)的偏移量不得超過億分之一。

正如下面的N×N MIMO系統(tǒng)部分所述，如果一個(gè)基站在多輸入多輸出架構(gòu)中使用兩個(gè)或更多收發(fā)器，該基站必須使所有收發(fā)器與同一時(shí)序參考同步。為了降低器件數(shù)量及成本，參考時(shí)鐘應(yīng)能夠提供多個(gè)完全相同的輸出，每個(gè)輸出都能驅(qū)動(dòng)不同的收發(fā)器模塊。

案例研究：提供外部時(shí)鐘
本案例研究使用AD9356/7 2×2 MIMO集成收發(fā)器作為基站系統(tǒng)的組成部分。如前所述，AD9356/7要求32～48MHz的參考時(shí)鐘頻率。要將此時(shí)鐘與時(shí)序參考同步，需使用具有出色相位噪聲性能的靈活PLL，像ADI公司的4/8通道輸入網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘發(fā)生器/同步器AD9548完全符合這一要求。時(shí)序參考輸出連接到AD9548的一路參考輸入，一個(gè)低相位噪聲時(shí)鐘連接到系統(tǒng)時(shí)鐘輸入。輸出設(shè)置為AD9356/7所需的32～48MHz參考時(shí)鐘。圖2顯示了一個(gè)GPS同步系統(tǒng)的框圖。

圖2  采用GPS參考的基站架構(gòu)

一些網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘發(fā)生器可以支持極寬的輸入頻率范圍，從而提供各種不同的時(shí)序參考和低相位噪聲時(shí)鐘。明智選擇輸入頻率可以簡化設(shè)計(jì)，降低成本，實(shí)現(xiàn)最佳的發(fā)射和接收性能，并達(dá)到保持性能要求。

AD9548利用數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)將輸出時(shí)鐘鎖定至?xí)r序參考，而不是模擬PLL。這種技術(shù)可使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)極佳的保持性能，只受系統(tǒng)時(shí)鐘源的時(shí)序漂移限制。此外，決定AD9548輸出時(shí)鐘相位噪聲性能的因素是系統(tǒng)時(shí)鐘的相位噪聲，而不是時(shí)序參考，因此該器件可以接受高噪聲時(shí)序參考，而不會(huì)將此噪聲傳遞至其輸出。

實(shí)現(xiàn)最高參考時(shí)鐘性能
網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘發(fā)生器支持寬范圍的輸入和輸出頻率，從而為系統(tǒng)架構(gòu)師優(yōu)化輸出時(shí)鐘性能提供了許多選擇。
例如，25MHz及以下頻率的高穩(wěn)定性時(shí)鐘源相對(duì)更豐富，而且比更高頻率時(shí)鐘源便宜。如果圖2所示的系統(tǒng)時(shí)鐘(sysclk)輸入小于50MHz，則可利用AD9548中的倍頻器使系統(tǒng)時(shí)鐘加倍，由此增加的相位噪聲極小。然后利用這一更高頻率，系統(tǒng)時(shí)鐘PLL可將時(shí)鐘提高到約1GHz。

設(shè)計(jì)師還必須選擇DPLL輸出頻率及由此產(chǎn)生的后置分頻器比率。DPLL輸出頻率越高，則壓擺率越快，一般有助于降低相位噪聲，但也可能導(dǎo)致雜散折回頻譜中。對(duì)于AD9356/7參考時(shí)鐘，一個(gè)有效的折中選擇是將DPLL輸出頻率設(shè)為240MHz，并將后置分頻比設(shè)為6，得到40MHz的最終輸出頻率。圖3顯示了AD9548在這些設(shè)置下的相位噪聲。

圖3    ADI公司AD9548相位噪聲與頻率的關(guān)系

圖4顯示利用AD9548提供參考時(shí)鐘，并以2500MHz進(jìn)行傳輸時(shí)AD9356輸出端的積分相位噪聲。AD9548評(píng)估板可以利用其自有片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘XO（出廠配置）或外部時(shí)鐘。圖3和圖4所示為AD9548使用一個(gè)12.8MHz恒溫控制晶振(OCXO)作為其系統(tǒng)時(shí)鐘輸入的情況。此測(cè)試中，AD9548未與時(shí)序參考同步。

圖4 ADI公司AD9356積分相位噪聲,2500MHz載波

在這種配置下，使用WiMAX 802.16e 64-QAM波形時(shí)，AD9354輸出端的發(fā)射EVM典型值優(yōu)于-38dB。

如前所述，為確保收發(fā)器的最終EVM盡可能低，網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘發(fā)生器的系統(tǒng)時(shí)鐘源必須具有低相位噪聲。此外，系統(tǒng)時(shí)鐘源必須具備極佳的短期穩(wěn)定性，特別是當(dāng)1pps信號(hào)用作網(wǎng)絡(luò)時(shí)序參考時(shí)。為了與GPS時(shí)序參考同步，網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘發(fā)生器必須使用非常窄的PLL帶寬。因此，系統(tǒng)時(shí)鐘源必須具有非常低的抖動(dòng)，才能使網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘發(fā)生器PLL保持鎖定。如OCXO之類的高性能時(shí)鐘源滿足這些要求，因而通常為基站所采用。

NxN MIMO系統(tǒng)
NxN MIMO系統(tǒng)要求多個(gè)收發(fā)器，每個(gè)收發(fā)器均要求使用相同版本的外部參考時(shí)鐘。網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘發(fā)生器可以提供多個(gè)相同的輸出，可以將這些輸出分別路由至各收發(fā)器，從而免除時(shí)鐘緩沖器和時(shí)鐘分配器件。

AD9548最多可以提供4路差分LVDS/LVPECL輸出或8路單端CMOS輸出。圖5中的實(shí)線框和信號(hào)表示帶有共用鎖相參考時(shí)鐘的4×4 MIMO系統(tǒng)，虛線和虛線框表示該系統(tǒng)擴(kuò)展為6×6 MIMO架構(gòu)。

圖5  采用GPS時(shí)序參考的NxN MIMO基站架構(gòu)

采樣數(shù)據(jù)通過JESD-207兼容并行端口接口在AD9356/7與BBP之間傳輸，AD9356/7產(chǎn)生并行端口數(shù)據(jù)時(shí)鐘。在4×4和更高階系統(tǒng)中，BBP可以同時(shí)向AD9356/7的各收發(fā)器發(fā)送脈沖，從而迫使所有收發(fā)器的數(shù)據(jù)時(shí)鐘同步。這樣就能確保各收發(fā)器所收發(fā)的采樣數(shù)據(jù)保持時(shí)序一致。

結(jié)論
高性能時(shí)鐘發(fā)生器可以與外部時(shí)序參考同步，并配合一個(gè)或多個(gè)集成收發(fā)器工作，從而簡化電信基站的整體設(shè)計(jì)，并降低復(fù)雜度和成本。該設(shè)計(jì)很容易擴(kuò)展到NxN MIMO基站架構(gòu)。這些器件集成了大部分時(shí)鐘和正弦波發(fā)生器，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)出色的系統(tǒng)接收與發(fā)射性能。即使時(shí)序參考信號(hào)暫時(shí)丟失，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各基站也能互相同步。