在 5G 戰(zhàn)火紛飛之際，無(wú)論是基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)商、芯片商還是手機(jī)廠商，均以排兵布陣準(zhǔn)備良久，只為等待“萬(wàn)箭齊發(fā)”的最佳時(shí)機(jī)。且同時(shí)，為了加快商用的步伐，本月初，工業(yè)和信息化部正式向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)廣電頒發(fā)了 4 張 5G商用牌照。

不過(guò)，5G 的發(fā)展并沒(méi)有想象中那么快，工信和信息化部信息通信發(fā)展司司長(zhǎng)聞庫(kù)也曾表示，“5G 全面商用還需耐心等待。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)從無(wú)到有需要過(guò)長(zhǎng)，建得好不是 5G 的目的，用的好才是 5G 真正的目的?！?/p>

此前，我國(guó)提出的是 2017 年展開(kāi) 5G 網(wǎng)絡(luò)第二階段測(cè)試，2018 年大規(guī)模試驗(yàn)組網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上于 2019 年啟動(dòng) 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，最快 2020 年正式推出商用服務(wù)。如今看來(lái)，我國(guó)的各項(xiàng)建設(shè)均在有條不紊的進(jìn)行中。但在此建設(shè)過(guò)程中，我們也發(fā)現(xiàn)，相比 4G，5G 所需建設(shè)的基站數(shù)量遠(yuǎn)超乎我們想象。在這一點(diǎn)上，據(jù)悉，作為世界上第一個(gè)開(kāi)通 5G 商用的國(guó)家，韓國(guó)將于今年內(nèi)共建設(shè) 23 萬(wàn)座 5G 基站；德國(guó)計(jì)劃在 2021 年建設(shè) 40000 個(gè) 5G 基站；橫縱對(duì)比，國(guó)內(nèi) 5G 基站的基本數(shù)量已到達(dá) 581.4 萬(wàn)，遠(yuǎn)超過(guò) 4G 基站數(shù)量。

對(duì)此，我們不禁發(fā)問(wèn)，以大容量、低延時(shí)、高帶寬為特性的 5G，為何需要建立如此龐大數(shù)量的基站？這其中的緣由又是為何？接下來(lái)，我們將從愛(ài)立信5G 專家、3GPP 5G NR 標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)及制定者精心撰寫(xiě)的《5G NR標(biāo)準(zhǔn)：下一代無(wú)線通信技術(shù)》一書(shū)中探尋到 5G 關(guān)鍵技術(shù)毫米波的相關(guān)奧秘。

毫米波射頻技術(shù)

毫米波通信引入了更大的帶寬，而更大的帶寬就會(huì)對(duì)數(shù)字域和模擬域之間的轉(zhuǎn)換發(fā)起更高的挑戰(zhàn)。業(yè)內(nèi)廣泛使用基于信號(hào)噪聲失真比（Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio，SNDR）的Schreier品質(zhì)因數(shù)（Schreier Figure-of-Merit，Schreier FoM）作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的度量，參見(jiàn)：

這里， SNDR的單位是dB，功耗P的單位是W，以及奈奎斯特抽樣頻率fs的單位是Hz。圖19-1研究結(jié)果展示了大量商業(yè)ADC的Schreier品質(zhì)因數(shù)和對(duì)應(yīng)奈奎斯特抽樣頻率（對(duì)絕大多數(shù)ADC就是2倍的帶寬）的關(guān)系。圖中的虛線標(biāo)明了FoM的包絡(luò)，在100MHz的抽樣頻率以下基本上恒定在180dB。對(duì)于恒定的品質(zhì)因數(shù)，SNDR每增加3dB或者帶寬增加一倍，都會(huì)導(dǎo)致功耗翻倍。對(duì)100MHz以上的抽樣頻率，會(huì)有一個(gè)額外的10dB/decade的損失，意味著帶寬增加一倍，功耗是原先的4倍。

盡管隨著集成電路技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，未來(lái)的高頻ADC品質(zhì)因數(shù)包絡(luò)會(huì)緩慢地推高。但是帶寬在GHz范圍的ADC依然無(wú)法避免功率效率低下的問(wèn)題。NR毫米波引入的大帶寬以及天線陣列配置都會(huì)引入很大的ADC功耗。因此對(duì)基站和終端都需要考慮如何降低SNDR的要求。

在同樣的精度和速度要求下DAC相比ADC較為簡(jiǎn)單。而且ADC一般會(huì)引入循環(huán)處理而DAC不會(huì)。因此DAC在研究領(lǐng)域的關(guān)注度較低。盡管DAC結(jié)構(gòu)和ADC有很大不同，DAC也可以用品質(zhì)因數(shù)來(lái)描述。類似于ADC的情況，大帶寬和對(duì)發(fā)射機(jī)的不必要的苛刻的SNDR要求，會(huì)導(dǎo)致更高的DAC功耗。

本振和相位噪聲

本振（Local Oscillator，LO）是現(xiàn)代通信系統(tǒng)一個(gè)必不可少的組成部分。一個(gè)描述本振性能的參數(shù)是相位噪聲。簡(jiǎn)單地說(shuō)，相位噪聲就是本振產(chǎn)生信號(hào)在頻域上的穩(wěn)定程度的衡量。相位噪聲的定義是在一個(gè)給定頻率偏移Δf處的dBc/Hz值，描述的是本振產(chǎn)生信號(hào)和期望頻率之間偏差Δf的可能性。

本振的相位噪聲會(huì)顯著影響系統(tǒng)性能。如圖19-2所示，以單載波為例，在加入了加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）建模的熱噪聲之后，比較了有相位噪聲和沒(méi)有相位噪聲兩種情況下的16QAM星座圖。對(duì)一個(gè)給定的符號(hào)錯(cuò)誤率門(mén)限，相位噪聲會(huì)限制最高的調(diào)制階數(shù)，如圖19-2所示。換句話說(shuō)，不同的調(diào)制階數(shù)會(huì)對(duì)本振的相位噪聲提出不同的要求。

自由振蕩器和鎖相環(huán)的相位噪聲特性

生成頻率最常用的電路是壓控振蕩器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）。圖19-3通過(guò)一個(gè)模型來(lái)建模自由振蕩的VCO對(duì)不同頻率偏移的特性。

這里f0是振蕩器頻率，Δf是頻率偏移，PS是信號(hào)強(qiáng)度，Q是諧振器的加載品質(zhì)因子，F(xiàn)是經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)（對(duì)應(yīng)的物理意義是噪聲系數(shù)），而Δf1/f3有源設(shè)備1/f噪聲的拐點(diǎn)頻率。

根據(jù)圖19-3所示公式，可以得出：

振蕩器頻率f0加倍，則相位噪聲增加6dB。

相位噪聲和信號(hào)強(qiáng)度Ps成反比。

相位噪聲和諧振器加載品質(zhì)因子Q的平方成反比。

1/f噪聲上變頻提升了臨近載波頻點(diǎn)位置的相位噪聲（即：小頻率偏移）。

因此在設(shè)計(jì)VCO的時(shí)候，需要平衡幾個(gè)相關(guān)參數(shù)。為了比較不同半導(dǎo)體技術(shù)和電路拓?fù)湎耉CO的性能，往往使用品質(zhì)因數(shù)（考慮了功耗的影響）來(lái)進(jìn)行公平的比較：

其中是PNvco(f)VCO的相位噪聲，單位為dBc/Hz；是功耗，單位為W。這個(gè)公式值得注意的一點(diǎn)是相位噪聲和功耗（線性值）都與f20成正比。因此為了保持一定的相位噪聲，增加頻率N倍則意味著功耗需要增加N2倍（假定品質(zhì)因數(shù)一定）。

一個(gè)通常的抑制相位噪聲的做法是使用鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）?；窘Y(jié)構(gòu)包括VCO、分頻器（frequency divider）、相位檢測(cè)器（phase detector）、環(huán)路濾波器（loop filter）和一個(gè)高穩(wěn)定性低頻參考源（比如晶振）。鎖相環(huán)輸出的相位噪聲來(lái)源包括：

在環(huán)路濾波器帶寬之外的VCO相位噪聲部分。

環(huán)路之內(nèi)的參考振蕩器產(chǎn)生的相位噪聲。

相位檢測(cè)器和分頻器的相位噪聲。

圖19-4提供了一個(gè)典型的毫米波本振的特性，顯示了一個(gè)28GHz本振相位噪聲的測(cè)量結(jié)果。該本振在低頻使用了鎖相環(huán)然后倍頻到28GHz?？梢杂^察到有4個(gè)不同特點(diǎn)的區(qū)間：

f1小頻率偏移<10kHz。大致按照30dB/decade的速率下降，主要來(lái)自1/f噪聲上變頻。

f2頻率偏移在鎖相環(huán)帶寬之內(nèi)。相對(duì)平坦并包含多種噪聲來(lái)源。

f3頻率偏移大于鎖相環(huán)帶寬。大致按照20dB/decade的速率下降，主要來(lái)自VCO相位噪聲。

f4更大的頻率偏移>10MHz。平坦，主要來(lái)自底噪。

毫米波信號(hào)生成的挑戰(zhàn)

當(dāng)振蕩器頻率從3GHz提升到30GHz，相位噪聲也會(huì)隨之提升。對(duì)特定頻率偏移，相位噪聲會(huì)惡化20dB數(shù)量級(jí)。這顯然會(huì)限制毫米波可用調(diào)制模式的最高階，最終限制毫米波的最高頻譜效率。

毫米波本振同樣受限于品質(zhì)因子Q和信號(hào)強(qiáng)度Ps。Lesson方程指出，為了獲得較低的相位噪聲，必須提高品質(zhì)因子Q和信號(hào)強(qiáng)度Ps，同時(shí)降低有源器件的噪聲系數(shù)。不幸的是，當(dāng)本振頻率提高的時(shí)候，上述三個(gè)方面往往朝著不好的方向變化：

對(duì)單片壓控振蕩器（monolithic VCO），振蕩器的品質(zhì)因子Q會(huì)隨著頻率增加而快速降低。主要的原因是：（1）寄生損耗（parasitic loss）增加，諸如金屬損耗（metal loss）或襯底損耗（substrate loss）增加。（2）變?nèi)?a target="_blank">二極管Q降低。

信號(hào)強(qiáng)度受限。這主要因?yàn)楦哳l操作需要更加先進(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)備，其擊穿電壓也會(huì)隨著尺寸的降低而降低。這些因素的影響在19.3節(jié)里介紹的功放部分也能觀察到，功放也會(huì)隨著頻率的增加而導(dǎo)致功放能力的下降（-20dB/decade）。

基于這些原因，在實(shí)現(xiàn)毫米波本振的時(shí)候，一般都是利用一個(gè)相對(duì)低頻的鎖相環(huán)然后倍頻到目標(biāo)頻點(diǎn)上。

除了上述的挑戰(zhàn)，1/f噪聲上變頻也提升了臨近載波相位噪聲。當(dāng)然1/f噪聲和實(shí)現(xiàn)技術(shù)非常相關(guān)，相比于垂直雙極器件（vertical bipolar device）如雙極和HBT，一些平面器件諸如CMOS和高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）會(huì)產(chǎn)生更高的1/f噪聲。

為了完全集成MMIC/RFIC VCO和鎖相環(huán)，可以采用各種技術(shù)（從CMOS和BiCMOS到III-V族材料）。但是因?yàn)檩^低的1/f噪聲和較高的擊穿電壓，一般InGaP HBT是最為常用的。盡管有較為嚴(yán)重的1/f噪聲，少數(shù)情況下也會(huì)采用pHEMT設(shè)備。一些方案使用GaN FET結(jié)構(gòu)，盡管可以獲得很高的擊穿電壓，但是1/f噪聲甚至?xí)菺aAS FET器件設(shè)備還要高。圖19-5總結(jié)了不同的半導(dǎo)體技術(shù)，在100kHz頻偏范圍內(nèi)相位噪聲性能和振蕩器頻率的關(guān)系。

最近的研究成果揭示了本振噪底對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在符號(hào)速率比較低的情況下噪底對(duì)系統(tǒng)影響不大。但是當(dāng)符號(hào)速率提高之后，比如5G NR，平坦噪底開(kāi)始對(duì)調(diào)制后的信號(hào)EVM產(chǎn)生影響。如圖19-6所示為不同的符號(hào)速率和不同的噪底水平下測(cè)量發(fā)射信號(hào)的EVM結(jié)果。這類觀察意味著為寬帶通信進(jìn)行毫米波本振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要額外關(guān)注技術(shù)的選擇、VCO拓?fù)浜捅额l系數(shù)，以期得到合理的較低相位噪聲的噪底。

5G 在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

以上僅為毫米波技術(shù)的部分，而為了幫助通信從業(yè)者、物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)者、嵌入式程序員們更好了解并應(yīng)用 5G 技術(shù)，CSDN 作為主辦方特別策劃以“5G 在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐”為主題的沙龍活動(dòng)，邀請(qǐng)到來(lái)自愛(ài)立信中國(guó)研發(fā)部多天線高級(jí)專家朱懷松、愛(ài)立信中國(guó)研發(fā)部主人系統(tǒng)工程師劉陽(yáng)，基于全新的 5G 標(biāo)準(zhǔn)，分享其在實(shí)踐中幫助解決物聯(lián)網(wǎng)各式各樣需求的方案。

從而讓開(kāi)發(fā)者們得以深入了解無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)需求的多樣性，以及 5G 是如何通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的框架來(lái)滿足未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的需求的。此外，兩位專家還將探討相較幾乎滿足了人和互聯(lián)網(wǎng)連接需求的 4G，5G 在應(yīng)用過(guò)程中還能夠提供哪些特有的功能滿足物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。