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利用DAS集成解决方案革新无线覆盖

Hamed M. Sanogo, Analog Devices, Wilmington, Mass.

商业建筑和体育场馆等通常需要良好的蜂窝网络覆盖，以提供无缝连接。然而，当今大型商业建筑、医院和体育场馆中的钢筋、混凝土和节能玻璃墙很容易阻止蜂窝信号到达室内。加固的建筑结构和高度有色的窗户以及其他建筑材料，使建筑物像一个射频屏蔽罩。¹高层建筑还可能受到附近蜂窝基站的高水平射频干扰，从而进一步降低服务质量。过多的人占用狭小的空间是造成移动设备接收不良的另一个原因。这些因素共同造成蜂窝设备接收不良。集成的DAS（分布式天线系统）解决方案对于提供优质蜂窝服务和加速无线网络的未来发展至关重要。

什么是DAS？

DAS是一种楼宇内无线增强系统，可为楼宇住户提供可靠的蜂窝覆盖。DAS是一个由空间上分离的天线节点组成的网络，可扩大蜂窝网络的覆盖范围并增强信号强度。DAS有助于在高密度的室内或室外场所实现卓越的蜂窝连接。尽管DAS的实现方式不尽相同，但典型的部署可能涉及楼顶天线、射频信号BDA（双向放大器）或增强器、无线运营商的基站收发器、光纤分配头端、RAU（远端接入单元）和许多战略性放置的楼内天花板天线之间的直接连接。在某些情况下，会安装多个基站，每个为大楼提供服务的运营商提供一个基站。

通常情况下，多个射频馈送信号会合并在一起，然后传输到作为主分配单元的头端。放置在楼顶的天线发送和接收来自移动运营商的信号，并通过最佳位置的射频信号BDA将无线信号送入楼内。然后，头端设备通过各种光缆向RAU馈送信号。RAU则通过同轴电缆向天线系统馈送信号。单个RAU可馈送多个天花板天线。这就为楼内设备提供了语音和数据服务，就像蜂窝网络中的基站提供覆盖一样。图1显示了典型的混合DAS架构在楼宇中的全面实施情况。

图1：混合DAS架构

改善楼宇内无线覆盖的方法主要有两种。第一种方法只使用RF增强器或BDA，它们是简单的信号中继器。这就是所谓的无源DAS。第二种方法是使用有源的DAS系统。根据具体情况，无源和有源DAS信号分配系统都可用于改善商业建筑内的无线覆盖范围和容量。当一个分配系统同时具有有源和无源两个方面时，它就被称为混合DAS架构。

双向放大器

射频信号会随着同轴电缆的衰减而变弱，因为这些信号离楼顶天线的距离会增加。为了减少这种损耗，无源DAS提供各种多频段射频中继器来放大和转播信号。BDA前端包括滤波器、低噪声放大器，有时还包括自动增益控制（AGC）电路。AGC元件旨在限制射频功率电平，保护BDA免受损坏或失真。BDA可同时放大两个方向的射频信号。它们不会调制、修改或以其他方式扭曲实际无线电信号。它们的主要作用是在整栋大楼内保持强大的射频信号。大多数BDA模块可同时放大多个载波，使用时无需与载波达成协议。图2显示了用于射频信号放大和转播的BDA的高级框图和一些建议使用的电子元件。

图2：BDA/RF增强器框图。

DAS远程访问装置

DAS头端设备执行模数转换，可以转换来自一个或多个运营商的射频信号。这就是为什么安装有源DAS通常需要每个运营商的批准。将射频信号数字化并通过光纤传输，可产生高带宽信号，传输距离更远，损耗极小。这样，信号就可以被分配到商业楼宇各楼层的所有RAU。¹在此过程中，信号不易受到干扰。

RAU将数字光纤信号转换回模拟射频信号，并将其馈送至DAS天花板天线。RAU通过同轴电缆连接到远程天花板天线，从而提供更大的覆盖范围，使所有用户都能体验到良好的蜂窝连接。图1显示了头端和所有RAU之间的光纤布线。

DAS中的RAU有助于扩展射频容量，这是一项非常重要的功能。RAU的主要用途是数字到射频和射频到数字的转换。为了满足RAU的要求，ADI提供了高度集成和灵活的射频收发器解决方案，如ADRV902x系列。这些集成电路使RAU能够承担复杂的任务。

图3：带有ADRV9029射频收发器的典型RAU框图。

图3显示了典型DAS RAU的高级框图。表1列出了RAU设计中可使用的一些ADI零件编号。虽然RAU功能可以通过图2所示的分立器件编号建议来实现，但本文其余部分将讨论集成ADRV9029射频收发器和完成设计所需的一些外部功率元件。

利用ADRV9029提高DAS性能

ADRV9029是一款高度集成的零中频采样模拟收发器，能够对宽带信号进行合成和数字化。该器件经编程后可用于频分双工(FDD)和时分双工(TDD)应用。该设备可提供DAS蜂窝基础设施应用所需的性能，尤其是在RAU内。该设备包括一个数字预失真（DPD）适应引擎和一个波峰因数降低（CFR）引擎。在DAS系统对延迟有严格要求的情况下，可以绕过CFR。ADRV9029的功能框图如图4所示。

数字预失真功能

DPD功能允许无线系统驱动其功率放大器(PA)接近饱和状态，以提高功率放大器的效率，同时仍能保持放大器的线性度。DPD功能通过扩展功率放大器的线性工作区域，使RAU能够实现更高的功率放大效率，同时仍能满足发射信号链中相邻信道泄漏比(ACLR)的要求。远程DAS节点中的功率放大器还有助于降低总体功耗。ADRV9029的观测接收器路径连接到DPD执行器和系数计算引擎，帮助系统功率放大器以高效率运行。

图4：ADRV9029功能框图。

ADRV9029中的DPD算法支持高达200MHz的载波带宽。根据ADI的计算，与使用带有基于现场可编程门阵列DPD解决方案的射频收发器的分立实施方案相比，将DPD功能集成到ADRV9029中可大幅节省系统级成本、空间和功耗。当特定应用需要时，可通过GPIO控制完全旁路ADRV9029中的DPD引擎。

除了上述节约之外，DPD引擎还能提高ACLR性能。ACLR是指分配信道上的传输功率与泄漏到相邻无线电信道的功率之比。图5显示了对20MHz LTE信号基带应用DPD后ACLR性能的改善情况。这些功率谱密度图说明了在应用DPD后，LTE 20MHz信号的互调产物引起的带外非线性如何从15dB降低到20dB。

图5：使用DPD前后的功率谱密度。

峰值系数降低块

当前的许多无线多路复用方案，尤其是正交频分复用（OFDM）等多载波波形，都需要峰均功率比（PAPR）较高的信号。高PAPR会对功率放大器的效率产生不利影响。主要问题是信号峰值可能超出功率放大器的线性工作范围。CFR方案可确保信号所需的范围在功率放大器的线性范围内。满足这一要求有助于减轻或消除系统中高PAPR带来的问题。

ADRV9029配备了板载CFR引擎，有助于降低PAPR。随着PAPR的降低，RAU中的功率放大器可以以更高的输出功率工作，从而提高发射链路的功率增加效率。ADRV9029有三个CFR引擎，可协助DPD引擎提高RAU发射架构的线性度和效率。ADRV9029使用脉冲消除技术的一种变体实现CFR，即从检测到的峰值中减去一个预先计算的脉冲，使信号处于功率放大器的线性范围内。因此，需要为每个载波组合生成并加载一个脉冲。由于这些原因和其他原因，CFR块增加了延迟。在许多情况下，DAS系统对延迟有严格的要求。在这种情况下，可以简单地绕过CFR功能，或者使用像ADRV9026这样没有DPD和CFR功能的配套部件。

电源

在采取所有预防措施以实现尽可能高的EVM和ACLR性能之后，还必须考虑RAU的电源设计。在运行过程中，电源电流会发生很大变化，尤其是在TDD模式下运行时。如果不控制电源产生的噪声，可能会影响JESD204B/JESD204C链路性能。

ADI开发了开关模式电源和必要的封装技术，以支持其所有射频收发器和其他5G射频SoC部件，如ADRV9029。Silent Switcher^® 3系列集成电路具有低RMS输出噪声、快速瞬态响应、低EMI辐射和高效率等特点。ADI在该系列中拥有多款产品，可为图3方框图所示DAS RAU的电源管理和控制功能提供优势。在许多情况下，ADI第三代静音开关器件无需使用图3所示的LDO稳压器。

结论

DAS有助于提供有效的射频覆盖和容量，从而促进无缝连接，支持当今对可靠语音和数据传输的需求。有源或无源DAS/BDA解决方案可改善建筑内的蜂窝信号，确保用户在整栋建筑内拥有稳定的无线连接。RAU是有源DAS通信解决方案不可或缺的一部分，而ADI公司的ADRV9029则是DAS节点解决方案不可或缺的一部分，有助于提高系统的性能和成本。

参考资料

1. “Designing Distributed Antenna Systems (DAS),” Advantage Business Media, 2016.