實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字高度集成的單芯片設(shè)計(jì)，RFSoC在5G時(shí)代大有可為

5G 通信以高寬帶、高速度傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)讓大眾寄托了無(wú)限期待，運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商、方案商都在圍繞 5G 展開(kāi)方案設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研發(fā)、通信基站搭建等前期工作，雖然 5G 標(biāo)準(zhǔn)還未發(fā)布，但是產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合力推動(dòng)將加快 5G 通信的商用步伐，用戶也會(huì)更早體驗(yàn) 5G 通信帶來(lái)的便捷。為了加快 5G 無(wú)線回程方案的部署，賽靈思發(fā)布了 RFSoC 技術(shù)，在單芯片的 SoC 上把數(shù)字和模擬結(jié)合在一起。據(jù)賽靈思公司通信業(yè)務(wù)主管總監(jiān) Gilles Garcia 介紹，“該系列是通過(guò)一個(gè)突破性的架構(gòu)將 RF 信號(hào)鏈集成在一個(gè)單芯片 SoC 中，致力于加速 5G 無(wú)線、有線 Remote-PHY 及其它應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)?！比缃瘢琙ynqRFSoC 系列已經(jīng)開(kāi)始發(fā)貨，它支持的應(yīng)用包括 massive-MIMO 的遠(yuǎn)端射頻單元、毫米波移動(dòng)回程、5G 基帶、固定無(wú)線訪問(wèn)、有線 Remote-PHY 節(jié)點(diǎn)、測(cè)試測(cè)量、衛(wèi)星通信等高性能 RF 應(yīng)用。

賽靈思公司通信業(yè)務(wù)主管總監(jiān) Gilles Garcia

集成模擬采樣器件，實(shí)現(xiàn)功耗尺寸雙下降
5G 通信能夠?qū)崿F(xiàn)大數(shù)據(jù)、高帶寬傳輸?shù)那疤崾谴罱〝?shù)量龐大的天線陣列，因此成本耗費(fèi)巨大，運(yùn)營(yíng)商都在想盡辦法降低功耗，縮小體積，從而實(shí)現(xiàn)成本的降低。傳統(tǒng)的 RF 模擬設(shè)計(jì)方案包含一個(gè)片上系統(tǒng)和很多外部 ADC/DAC，然后在此基礎(chǔ)上做其它功能設(shè)計(jì)。賽靈思的方案選擇減少芯片的數(shù)量，把 ADC 和 DAC 集成進(jìn)芯片，可以實(shí)現(xiàn)直接 RF 采樣。在單一芯片上完成模擬和數(shù)字集成，封裝尺寸縮小，同時(shí)還簡(jiǎn)化了接口，由于無(wú)需分立 ADC 和 DAC 器件，采用 RFSoC 的系統(tǒng)功耗和封裝尺寸可減少多達(dá) 50-75%。

集成分立 ADC 和 DAC 組件后對(duì)功耗和面積的影響

可能有用戶會(huì)問(wèn)，賽靈思專注于可編程邏輯器件的研發(fā)，并不擅長(zhǎng)模擬器件的設(shè)計(jì)，這樣集成模擬和數(shù)字功能的芯片性能如何？Gilles Garcia 解釋，“賽靈思研發(fā)這款產(chǎn)品花費(fèi)了非常長(zhǎng)的時(shí)間，我們從 2009 年就開(kāi)始做 RF 技術(shù)集成研發(fā)，在 2012 推出第一個(gè) 28nm 的測(cè)試片，2016 年推出 16nm 測(cè)試片，現(xiàn)在這款產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始發(fā)貨?！?/p>

避開(kāi)中頻采樣的劣勢(shì)，讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直接 RF 采樣
一般中頻采樣的過(guò)程是，先由模擬器件采集信號(hào)，在模擬域?qū)λ杉男盘?hào)進(jìn)行處理，然后再將信號(hào)傳遞給 ADC，從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。這套解決方案在模擬領(lǐng)域測(cè)功耗沒(méi)問(wèn)題，但缺點(diǎn)是要求系統(tǒng)配置很多器件，而且對(duì)器件的封裝尺寸和開(kāi)發(fā)人員的設(shè)計(jì)能力要求比較高。因此賽靈思開(kāi)發(fā)了一個(gè)直接 RF 采樣器件，可以把模擬和數(shù)字都融合到一個(gè)器件當(dāng)中。除了 RF 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之外，集成模塊還包括高能效的 DSP 子系統(tǒng)，支持靈活配置和 RF 信號(hào)調(diào)節(jié)。具體而言，子系統(tǒng)包括：
? 8 個(gè) 4GSPS 或 16 個(gè) 2GSPS 12 位 ADC，支持?jǐn)?shù)字下變頻 (DUC)
? 8-16 個(gè) 6.4GSPS14 位 DAC，支持?jǐn)?shù)字上變頻 (DDC)
? 直接 RF 采樣，支持靈活的模擬設(shè)計(jì)，提高精度并降低功耗

直接 RF 采樣，也就是能夠直接對(duì)抵達(dá)的信號(hào)進(jìn)行采樣的能力，無(wú)需先向下轉(zhuǎn)換到中頻 (IF)，這能為 RF 設(shè)計(jì)人員提供更高的靈活性。直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，再用現(xiàn)代化 DSP 技術(shù)進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)，這能提高數(shù)字域的性能和可編程性。Gilles Garcia 表示，“直接 RF 采樣的缺點(diǎn)是采樣率高，使功耗很高，功能多，芯片封裝尺寸變大。因此我們把 SoC 和直接采樣器件結(jié)合起來(lái)變成單一芯片，功耗、尺寸得到下降。因?yàn)樾盘?hào)采集、處理都集中在數(shù)字域，它的靈活性比較高，便于開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)?！?/p>

實(shí)現(xiàn) RF 集成和 LDPC FEC，支持 Remote-PHY
有線多業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商(MSO)在分布式架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)虛擬化上一直采用類似于 4G-LTE 到 5G 無(wú)線的發(fā)展路徑。為通過(guò)前代有線電視技術(shù) (DOCSIS 3.0) 實(shí)現(xiàn) 10 倍的數(shù)據(jù)速率（10Gb/s 下游），DOCSIS 3.1 標(biāo)準(zhǔn)旨在提高 RF 頻譜的效率。反過(guò)來(lái)，MSO 自然旨在以最小的開(kāi)銷提高該效率。有線運(yùn)營(yíng)商是 MSO 戰(zhàn)略的重要組成部分，他們正逐步轉(zhuǎn)向分布式接入架構(gòu) (DAA)。DAA 也需要移動(dòng)模擬轉(zhuǎn)換及前端處理，使其靠近用戶端。‘光纖深度’和 Remote-PHY 節(jié)點(diǎn)部署是這種重新架構(gòu)的組成部分。用 Remote-PHY 節(jié)點(diǎn)取代光學(xué)節(jié)點(diǎn)，用數(shù)字光纖驅(qū)動(dòng)，這不僅可增大帶寬，而且還可通過(guò)更短的無(wú)源同軸電纜滿足更多用戶需求。深度數(shù)字光纖和遠(yuǎn)程 RF 轉(zhuǎn)換／處理相結(jié)合，可大幅提高電源及頻譜效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)千兆位的用戶帶寬。

采用 RFSoC 部署 Remote-PHY 節(jié)點(diǎn)

ZynqUltraScale+ RFSoC 可實(shí)現(xiàn)小巧的外形、高功率效率，并有助于符合 DOCSIS 3.0 和 DOCSIS 3.1 標(biāo)準(zhǔn)，因此 Remote-PHY 部署不僅可行，而且能升級(jí)滿足未來(lái)需求。Remote-PHY 整合 RF 及數(shù)字前端以及支持 LDPCFEC 的調(diào)制解調(diào)器。關(guān)于 RFSoC 在 Remote-PHY 中的應(yīng)用情況，Gilles Garcia 指出，“現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)商正在推進(jìn) 5G 無(wú)線和 Remote-PHY，RFSoC 滿足這些新架構(gòu)要求并具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，我們已經(jīng)在向中國(guó)和其他國(guó)家的大客戶發(fā)貨，希望加速客戶在這些領(lǐng)域的發(fā)展和部署?！?/p>

全可編程讓 5G 產(chǎn)品隨標(biāo)準(zhǔn)靈活改變
研究機(jī)構(gòu)一致預(yù)言 5G 通信在 2020 年實(shí)現(xiàn)商用，但是標(biāo)準(zhǔn)卻遲遲未確定，因此 5G 產(chǎn)品和方案的設(shè)計(jì)需要具有高度的靈活性，以應(yīng)對(duì) 5G 標(biāo)準(zhǔn)的改變，FPGA 可編程的特點(diǎn)正好符合這種設(shè)計(jì)需求。Gilles Garcia 強(qiáng)調(diào)，“我們的器件是全可編程的，所以隨著標(biāo)準(zhǔn)的演化，我們的器件也可以隨著標(biāo)準(zhǔn)一起變化。比如：LDPC 編碼標(biāo)準(zhǔn)如果發(fā)生變化，我們就可以借助可編程邏輯針對(duì) LDPC 的參數(shù)進(jìn)行修改；還有很多音頻、視頻的 IP 部分，我們都可以對(duì)它們進(jìn)行編程式的修改?！?5G 需求不斷發(fā)展變化，單一無(wú)線電技術(shù)不可能滿足所有需求，單一 Remote-PHY 配置也不可能滿足所有有線電視接入的需求。對(duì)于所有終端市場(chǎng)而言，集成都是無(wú)縫實(shí)現(xiàn)和適應(yīng)系統(tǒng)的最佳途徑。

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