革新無線覆蓋：強大的行動通訊DAS整合解決方案

作者：ADI全球應用事業部通訊和雲端終端市場專家Hamed M. Sanogo

摘要

商業建築和體育場館需要可靠的行動通訊覆蓋，但相關環境對訊號接收造成了挑戰。本文詳細介紹了分散式天線系統(DAS)的整合解決方案，為在建築結構內部擴展行動通訊覆蓋範圍和容量提供不同角度的設計思路。本文概述了高整合度系統設計的多項優勢，該設計中包含了射頻收發器以及與之耦合的雙向放大器(BDA)或遠端存取單元(RAU)設備。讀者可以透過仔細查看草擬的方框圖，更深入地瞭解解決方案中的多種元素將如何協同工作。

簡介

商業建築和體育場館等現代環境常需要改善行動通訊網路覆蓋性能，以提供無縫連接體驗。然而，如今的大型商業建築、醫院和體育場館常常會採用厚鋼材、混凝土和節能玻璃牆面，這些材料容易阻礙行動通訊訊號傳輸，導致人員在其中無法獲得良好的手機訊號。換句話說，強化結構、有色窗戶以及其他建築材料會讓建築物遮罩射頻訊號¹ 。此外，高層建築可能會受到附近行動通訊基地台的高位準射頻干擾，這會進一步降低訊號品質。當狹小空間中的人員過多時，常會導致系統超載，這也是手機接收訊號不良的一個原因。這些因素共同導致了不理想的行動裝置接收效果。而整合式DAS解決方案可以在提供優質行動通訊服務和加速無線網路的未來發展中發揮關鍵作用。

什麼是DAS？

DAS是一種室內無線增強系統，可為建築內的人員提供可靠的手機覆蓋。DAS是由在空間中彼此獨立的天線節點組成的網路，可擴展行動通訊範圍並增強訊號強度，在高密度室內或室外場所實現卓越的行動通訊連接體驗。儘管DAS的具體部署方式各不相同，但典型部署可能涉及以下元件的直接連接： donor 天線、射頻訊號BDA或增強器、無線營運業者的基地台收發台(BTS)、光纖分配前端、RAU以及建築物內經策略性部署的多個天花板天線。某些情況下，還需要為每家營運業者都安裝一個BTS。

通常，多個射頻饋送訊號會被合併，然後傳遞到前端，即主分配單元。 donor 天線位於建築物頂部，負責發送訊號和接收來自行動通訊業者的訊號，並透過處於適宜位置的射頻訊號BDA將無線訊號引入建築物中。前端設備隨後透過各種光纖電纜向RAU饋送訊號。RAU又透過同軸電纜向天線系統饋送訊號。單一RAU可以向多個天花板天線饋送訊號。與行動通訊基地台為行動通訊網路提供覆蓋類似，這可以為建築物內的行動裝置提供語音和資料服務。圖1顯示了一個典型的全DAS架構。

Figure 1. A hybrid DAS architecture. — 圖1.混合DAS架構

室內無線覆蓋有兩個主要的改善趨勢：一是僅使用射頻增強器或BDA產品，這些是簡單的訊號中繼器（也稱為被動DAS）；二是使用完整的主動DAS系統，如圖1所示。被動和主動DAS訊號分配系統均可用於改善商業建築內的無線覆蓋和容量，可根據實際情況選用。混合DAS是指同時包含被動和主動方案的分散式系統。

雙向放大器

射頻訊號從施主天線傳播得越遠，訊號強度就會越來越弱，原因是長同軸電纜會帶來衰減。被動DAS可以避免或減輕這種情況，該方案使用了大量的多頻段射頻中繼器來增強或放大並重新驅動訊號。BDA前端包括一個具有濾波性能的低雜訊放大器(LNA)，有時還包括自動增益控制(AGC)電路。AGC元件專門設計用於限制射頻功率水準，以及保護BDA免受損壞或失真。BDA可同時放大兩個方向上的射頻訊號。BDA不會調變、修改或以其他方式扭曲實際射頻訊號。其主要作用在於增強整個建築物中的射頻訊號。大多數BDA模組設計用於同時放大多個載波，其使用不需要與業者達成協議。圖2所示為高層次方框圖，其中包含推薦使用的BDA元件，可用於放大和重播射頻訊號。

Figure 2. A BDA/RF booster block diagram. — 圖2.BDA/射頻增強器框圖

DAS遠端存取單元

DAS前端設備負責執行類比數位轉換，可轉換來自一家或多家營運業者的射頻訊號。這就是為什麼每家供應商通常需要營運業者批准才能安裝主動DAS。將射頻訊號數位化並將其置於高頻寬光纖電纜上，可使訊號以高頻寬、全強度和非常低的損耗，並跨越更遠的距離傳輸至整個商業建築中經戰略性部署的所有RAU中¹ 。此過程將進一步增強訊號的抗干擾性。

RAU將數位光纖訊號轉換回類比射頻訊號，並將其饋送到DAS天花板天線。RAU透過同軸電纜連接到遠端吸頂天線，以實現更大的覆蓋範圍和更長的通訊距離，讓所有用戶都能享受到卓越的行動通訊連接體驗。圖1顯示了前端和所有RAU之間的光纖佈線。

RAU是DAS中主要的關鍵功能，有助於擴展射頻容量。RAU的主要作用是實現數位到射頻和射頻到數位的轉換。ADI提供了整合度高且彈性強的射頻收發器解決方案（如ADRV902x系列），為協助RAU勝任複雜任務帶來了基礎積體電路元件。

圖3顯示了典型DAS RAU的高層次方框圖。表1列出了一些建議的元件功能和產品型號。圖中為該平台提供了多個具體的元件建議，但下文將僅重點關注射頻收發器、ADRV9029和一些附加電源元件。

Figure 3. A block diagram of a typical RAU with the ADRV9029 RF transceiver. — 圖3.使用ADRV9029射頻收發器的典型RAU的框圖

表1.RAU設計的建議元件
功能	ADI產品型號
增益模組	HMC788A
RF收發器	ADRV9029
RF開關	ADRF5160
PLL/VCO	ADF4351
時脈抖動清除器	AD9528
降壓POL	LT8625S、 LT8627SP
LDOs	LT1761、 ADM7172
PMIC	ADP5055
時序控制器	ADM1166
PA監視器、電子熔斷器	AD7393、LTC4381
PoE PD控制器	MAX5969A

高度整合的零中頻採樣類比收發器：ADRV9029

ADRV9029 為一款高整合度的零中頻採樣類比收發器，能夠合成和數位化寬頻訊號。透過編程，該元件可用於頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)應用。該元件能夠提供DAS行動通訊基礎設施應用所需的性能，尤其是RAU。作為其數位前端模組的一部分，該元件具有數位預失真(DPD)自我調整引擎和削峰(CFR)引擎，這兩個關鍵功能使其能脫穎而出。如果DAS系統的低延遲要求非常嚴格，則可以旁路CFR。圖4為ADRV9029的功能框圖。

Figure 4. An ADVR9029 functional block diagram. — 圖4.ADRV9029功能框圖

數位預失真功能

DPD功能或特性支援無線系統將其功率放大器(PA)驅動至更接近飽和的狀態（但不會使功率放大器飽和），進而在保持線性度的同時，實現更高效率的功率放大器。也就是說DPD功能透過擴展PA的線性工作區，使RAU實現更高的功放效率，而且仍然滿足發射訊號鏈的鄰道洩漏比(ACLR)要求。遠端DAS節點中的PA還有助於降低其整體功耗。ADRV9029的觀察接收路徑連接到DPD執行器和係數計算引擎，以協助系統的PA高效運行。

ADRV9029的DPD演算法支援高達200 MHz的載波頻寬。相較於使用射頻收發器和基於FPGA的DPD分立式解決方案，將DPD功能整合到ADRV9029中可明顯節省系統級成本、空間和功耗。如特定應用有需要，可以透過GPIO控制完全旁路ADRV9029中的DPD引擎。

將DPD應用於20 MHz LTE訊號基頻資料後，ACLR（即所分配通道上的發射功率與相鄰無線電通道中洩漏的功率之比）的性能改善如圖5所示。這些功率譜密度圖示範了在應用DPD後，由LTE 20 MHz訊號的互調產物引起的帶外非線性如何降低15 dB至20 dB。

Figure 5. Power spectral density showing improvement in ACLR after application of DPD for a 20 MHz LTE signal. — 圖5.功率譜密度，顯示了對20 MHz LTE訊號應用DPD後ACLR的改善

削峰模組

由於目前無線系統相關技術的固有特性，訊號可能會具有很高的峰均功率比(PAPR)，此一現象在正交頻分複用(OFDM)等多載波波形中尤為明顯，並會導致降低PA的效率。主要原因是訊號的峰值超出了PA的線性工作範圍。削峰(CFR)方案可確保訊號所需的範圍在功率放大器的線性範圍內，並有助於減輕甚至消除系統中PAPR的影響。

ADRV9029具有板載CFR引擎，該引擎可協助降低PAPR。透過降低PAPR，RAU的PA可以在更高輸出功率下運行，進而提高其在發射線路中的功率放大器效率。該元件配備了三個CFR引擎。簡而言之，這個精密受控的單晶片平台提供了一個由CFR模組預輔助的DPD引擎。正是此種晶片上訊號處理的組合，使得ADRV9029在在保持PA線性度方面具有競爭優勢。

ADRV9029利用了一種基於脈衝消除技術的變體來實現CFR。該方法透過從檢測到的峰值中減去預先計算的脈衝，使訊號保持在功率放大器的線性範圍內。因此，這需要為每個載波組合產生並載入脈衝。由於上述和其他因素讓CFR模組產生了額外的延遲。在大多數情況下，DAS系統具有嚴格的延遲要求。在此類情況中，可以簡單地旁路CFR功能。 ADRV9026 是不帶DPD和CFR的產品系列的成員。

電源

當實現盡可能高的誤差向量幅度(EVM)和鄰道洩漏比(ACLR)等靜態發射器性能指標後，如果忽視RAU的系統電源設計，可能會導致與射頻設計和模擬工作相關的所有優異成果均付諸東流。在工作期間，ADRV9029的電源電流可能變化很大，尤其是在TDD模式下工作時。如果不對電源雜訊加以控制，則甚至會讓JESD204B/JESD204C鏈路性能受到影響。

ADI開發了有關開關模式電源和封裝的創新技術，以支援其所有射頻收發器和其他5G RF SoC元件，例如ADRV9029。Silent Switcher^® 3 系列IC具有超低頻輸出雜訊、快速瞬態響應、低EMI輻射和高效率等特性。我們推薦在RAU中使用LT8642S、 LT8625S和LT8627SP ，如圖3中的框圖所示。如需瞭解完整的Silent Switcher元件產品系列，請瀏覽：analog.com/silentswitcher。

在大多數情況下，ADI第三代Silent Switcher元件無需LDO，即使在鎖相迴路和LNA設計等對電源雜訊非常敏感的應用中也是如此。當需要LDO時，推薦使用ADM7172 和 LT1761 。為了避免不必要的上電電流，ADRV9029需要遵循特定的上電序列，此時建議採用 ADM1166 作為解決方案。

結論

DAS有助於實現高效的射頻覆蓋範圍和容量，提升無縫連線性能，進而滿足目前對可靠語音和資料的高度需求。本文討論了BDA（也稱為被動DAS）或全主動DAS解決方案如何改善建築結構內的行動通訊訊號，以確保整個設施內的所有人員均享有穩健可靠的無線連接體驗。RAU是全主動DAS通訊解決方案不可或缺的組成部分，如同ADRV9029對於DAS節點一樣。ADI提供參考設計、使用者指南、韌體庫和其他設計資料，為工程師的設計工作提供多方位支援。如需有關ADRV9026射頻收發器的詳細資訊和設計資料，或需購買完整的無線電評估板，請點擊此處前往瀏覽。

參考電路

¹「設計分散式天線系統(DAS)」。Advantage Business Media，2016年。