德州仪器：什么支撑了5G基站的飞跃式发展？

4G改变生活，5G改变社会，只是这个改变并没那么容易。

2020年是ITU所定义的全球5G商用元年，而中国则还要早一年。据中国信息通信研究院，2021年1～4月国内5G手机出货量为9126.7万部，占市场总体的72.7%，同比增长38.4%。这在一定程度上反映了5G通信在个人用户层面的推进速度。

但5G不止于手机，在万物互联时代，必须提前搭建好一条条高速路，5G因此无可争议地成为新基建之首。相比4G，5G在初始阶段就明确规划了三大应用场景：增强移动宽带，其峰值速率将是4G网络的10倍以上；海量机器通信，将实现从消费到生产的全环节、从人到物的全场景覆盖；超高可靠低时延通信，通信响应速度将降至毫秒级。

由此衍生出的针对各个垂直行业应用的美好畅想就像一部科幻小说，而支撑这部小说实现的前提则是一座座看上去并不那么浪漫的高耸的基站。

5G基站建设新变化

一切美好前程，道路总会曲折波澜。在行业内，5G基站的短板被调侃为"覆盖、成本、功耗三个3"，即3倍成本、3倍功耗、1/3覆盖。对此，德州仪器（TI）杰出技术专家Wenjing分析，部分原因是由于5G MM高频高性能，采用Massive MIMO技术, 需要32通道、64通道等多通道架构，硬件通道数的上升直接导致成本、功耗、体积指标呈指数级上升。运营商迫切需要大幅降低建站成本和运营成本，因此对芯片的集成度、功耗及成本提出了更高的要求。

TI是最早参与中国5G建设的半导体厂商之一，德州仪器中国大客户区域销售经理Vic介绍，放眼全球，中国的5G建设走在前列，截至2020年，中国已布局了70多万个5G基站，完成了一些重点城市的大容量覆盖。2021年计划建设84万个，完成更广域的布局，重点转向700MHz 4T4R 组网。通过更先进的工艺节点、更创新的设计架构、更大规模的集成度，TI一直力求实现高集成、低功耗、低成本的目标。事实上，TI每一代产品都会通过工艺演进/设计架构的创新，实现同等规模下，功耗30%左右的改善。

不断精进的架构

RRU单元作为无线通信的最后一环、最关键设备，犹如空中的一座桥，保证了信息的精准、实时送达。虽然射频前端只是5G基站中的管道，真正的大脑是ASIC/FPGA等处理器，但如果没有健康的管道为大脑输送养分和数据，人体就无法执行正常的活动。RRU的射频信号处理与调制就如人体内的血管和神经一样复杂，射频前端是RRU中极具挑战、又至关重要的领域。 

在传统超外差系统中，接收器在RF频率上接收到信号后，会将信号下变频为较低的中频（IF），在此将其数字化、滤波然后解调，RF前端要进行复杂的信号链处理。而随着ADC、DAC转换器技术的进步，可以将模拟变频转化为数字直接变频，从而省略中频环节，使得射频直采收发信机的整体硬件设计简单许多，因此外形尺寸更小、设计成本更低。"将传统离散式超外差系统中的分离ADC、DAC、调制器、解调器、Serdes、时钟、DVGA等各个功能模块，集成到一颗芯片中，为5G Massive MIMO多通道架构实现提供了物理的可能性。" Wenjing认为这个创新对于未来可能会达到上百通道数的Massive MIMO来说至为关键。

高集成度给用户带来的改变是巨大的，随着通道数不断增加，吞吐量增加，但RRU整体模块尺寸却仅有小幅增加。

以TI的AFE7920为例，是4T4R2F（4发4收2反馈路径）射频直采架构双频段收发器，发射链路主要由最高采样速率为12GSPS 的RFDAC组成，支持第一/第二Nyquist 模式，接收和反馈链路主要由最高采样速率3GSPS的 RFADC组成；收发链路支持独立DSA增益控制，8对29.5 GSPS Serdes与主机互联，集成低频输入的在板高频时钟。该产品相对于上一代产品，功耗降低了30%。 

美好的数字射频直采

TI在模拟/数字混合射频信号领域具有多年积累，AFE7920正是基于TI的丰富经验所开发出的数字射频直采芯片，相较于纯模拟集成具有诸多优势。

首先，通常运营商在sub 6GHz频段有最高400MHz的瞬时带宽要求，在毫米波频段有至少400MHz/800MHz的瞬时带宽要求。TI的收发器可支持到最宽800MHz带宽，满足全部Sub 6GHz及部分毫米波的应用需求。

其次，全场景支持使平台归一化成为可能。5G基站的形态相对于4G更加丰富，包括宏站、小站、Massive MIMO等。同一颗芯片可以支持不同的基站形态，从而使客户降低开发成本，更快地在市场上推出产品。

同时还支持混模模式。一个4T4R的单模芯片劈裂为两个独立的2T2R承载不同的频段，实现单芯片混模场景。例如2T2R TDD+2T2R FDD等。更进一步，射频直采架构的超高采样率使得双频段的数字拉远成为可能，从而实现通道级的双频段发射和接收，例如宏站场景下的1.8GHz+2.1GHz 双频段应用（从ASIC/FPGA，分别接收1.8GHz和2.1GHz的基带信号，在芯片内部实现数字合路，最后通过同一发射通道进行双频段的发射，接收即为其的反向操作），两个频段的射频拉远距离可以达到3GHz，满足客户不同方面的需求。

此外，数字射频直采技术无需镜像和本振校准，简化了整个系统的开发，同时提供芯片自检报警机制，及天线校准、绿色节能等系统功能的灵活设定。

Wenjing强调，对于Massive MIMO和波束成形等技术而言，虽然重要的都是算法，射频直采技术只是为算法提供硬件实现。但如果没有高集成及通道间高度协同的芯片，Massive MIMO等新一代天线技术只会是纸上谈兵。

5G看中国，射频直采收发信机看TI

2017年中国第一代4G的MIMO基站就采用了TI的4T4R射频直采芯片，而中国第一代5G基站也采用了TI的射频信号链解决方案。值得一提的是，这一系列产品需求，很多都是来自中国客户，Wenjing参与并主导了产品定义。这也是TI与其竞争对手的不同之处，即5G产品定义的重心放在中国，更贴近中国客户的需求，这也是TI深耕中国35年的体现之一。

TI在中国5G基站建设中发挥了极其重要的作用，跨越2G/3G/4G/5G网络，囊括宏站、Massive MIMO、小站等多种站型。而且TI还在不断改进产品，支持更多的通道，更大的带宽和更低的功耗，以满足客户不断更新的需求。TI 最新发布的AFE8092 8T8R射频直采多频段收发信机在AFE7920的基础上进一步的通过架构革新，在集成度提高的同时，再次实现了同等场景下功耗的30%下降。相比于4T4R的产品，可以更好地满足Massive MIMO所需。

为了应对复杂的5G通信架构，有源天线系统的演进速度远超以往。包括需要减小信号链大小，降低复杂性，同时提供宽带宽和多个频率；可在高环境温度下工作的高密度电源管理；以及通过基于分组的前传接口实现网络同步。TI除了高集成的模拟前端之外，还提供包括电源、时钟、MCU、放大器、接口等，从而实现全系统解决方案。

不久前，工业和信息化部网站上公布了《5G应用"扬帆"行动计划（2021-2023年）》并正式征求意见，目标到2023年，我国5G应用发展水平显著提升，综合实力持续增强；5G个人用户普及率超过40%，用户数超过5.6亿；5G网络接入流量占比超50%，5G网络使用效率明显提高；5G物联网终端用户数年均增长率超200%。

5G基站是新型信息基础设施的基石，TI拥有品类齐全的模拟和嵌入式处理系列产品，强大的本地制造研发能力、遍布全国的产品分销及销售网络，帮助中国客户实现更低延迟和更高数据速率的5G系统，促进更多创新应用，赋能中国新基建。TI植根中国35年，始终如一，同中国客户一起迎接未来挑战。

集成电路很小，"心"的天地可以更大。
来源：https://news.ti.com.cn/