這些多頻段無線電運用新一代的GSPS射頻ADC與DAC，除了能靈活使用頻段和直接合成射頻訊號，還能運用多種取樣技巧。為應付射頻無線頻譜分散的特性，故採用精密DSP發送器，高效率地將資料位元轉換至射頻訊號，以及在接收端將射頻訊號轉回資料位元。本文即將介紹一個多頻段應用的直接射頻發送器，並探討其中DSP的組態，以及功率與頻寬之間的取捨。
經過10年與兩代的無線標準之後，許多事物已改變。或許不像吸引消費者目光的智慧型手機，被歸類於使用者設備(UE)的基礎設施基地台(eNodeB)這種無線電存取網路(RAN)裡的設備經歷自己的轉型，以因應聯網化世界耗用大量資料的需求。
有效利用多頻段無線電
從2G網路的GSM到4G網路的LTE，手機頻段的數量成長了10倍(從4個增加到超過40個)。LTE網路推出後，基地台供應商發現無線電衍生版本的數量竟增加了數倍之多。LTE-advanced對多頻段無線電的需求加重，加入了載波聚合，在同一個頻段中混用多個不連續的頻譜，或更重要的是，混用數個不同頻段中不連續的頻譜，在同一個基頻段數據機中加以聚合，就像使用單一連續頻段一樣。然而，射頻頻譜是分散不連續的。圖1顯示多個經載波聚合的頻段組合，其突顯出分散頻譜的問題。圖中淺色顯示跨頻段空隙，深色代表我們關注的頻段。根據資訊理論，系統不會浪費功率去轉換不想用的頻譜。有效率的多頻段無線電，意謂著在類比與數位領域之間轉換這種分散的頻譜。
基地台發送器演進成直接射頻
為讓4G LTE網路能應付更多的資料使用量，廣域網路基地台在無線電架構方面經歷一波演進。包括超外差、窄頻、中頻取樣無線電結合混波器與單通道資料轉換器，如今都已被I/Q調制類型的架構所取代，這類提供倍增頻寬的架構包括複合中頻(CIF)以及零中頻(ZIF)。ZIF與CIF收發器需要類比I/Q調變器/解調變器，以及雙通道與四通道資料轉換器(圖2)。
然而，這些頻寬更大的CIF/ZIF收發器也有本地振盪訊號洩露(LO Leakage)、以及正交誤差鏡像(Quadrature Error Images)等問題必須修正。
幸運的是，資料轉換器取樣率在過去10年也增加了30至100倍，從2007年的100 MSPS提高到2017年的10GSPS以上。GSPS等級射頻轉換器出現更高的取樣率，這類元件擁有極高的頻寬，故能靈活運用頻段的軟體定義無線電能邁入實際運用階段。
對於sub-6GHz無線電BTS架構而言，長久以來的終極目標就是直接射頻取樣與分析。直接射頻架構能省去類比頻率轉換元件，像是混波器、I/Q調變器以及I/Q解調變器，而這些元件本身就是許多寄生訊號的來源。資料轉換器直接連結射頻頻率，而所有混波程序都能以數位模式由內建的數位升頻/降頻(DUC/DDC)完成。
多頻段效率來自精密DSP，這些內建於ADI旗下射頻轉換器的元件不僅只針對想使用頻譜頻段進行數位頻道化，還能同時存取所有射頻頻寬。運用並列式DUC與DDC，結合內插/外抽(Decimating)升頻/降頻取樣器、半頻段濾波器以及數值控制振盪器(NCO)，在類比與數位領域之間進行轉換之前，目標頻段就能以數位模式進行建構/解構。
並列式數位升頻/降頻架構能將數個頻段的目標頻譜(如圖1的深色)進行頻道化，不會浪費寶貴的週期來轉換沒用到的跨頻段頻譜(如圖1的淺色)。高效率的多頻段頻道化有助於降低資料轉換器的取樣率，以及透過JESD204B資料匯流排傳送訊號所需的串列鏈路數量。降低系統取樣率能降低基頻處理器的成本、耗電，以及散熱管理的要求，進而節省整個基地台系統的資金與營運成本。在一個高度最佳化CMOS ASIC上實作頻道化DSP也能達成以上效果，而且遠比在泛用FPGA架構上進行實作來得更加省電，即使FPGA採用更微縮的製程也是如此。
直接射頻發送器搭配DPD接收器
射頻DAC成功取代這些下一代多頻段BTS無線電內的中頻DAC。圖3顯示一個直接射頻發送器的例子，這個發送器內含AD9172，這個16位元12GSPS射頻DAC運用3個並列DUC支援三頻段頻道化。能在1200MHz頻寬上彈性配置多個子載波。另外在射頻DAC方面，ADL5335 Tx VGA提供12dB的增益以及31.5dB的衰減，範圍最高達4GHz。這個DRF發送器的輸出能用來驅動功率放大器，用戶可根據eNodeB的輸出功率需求來選擇功率放大器。
像AD9172這樣的RF DACS就內含精密DSP模組，以及並列式數位升頻頻道分離器(Upconverting Channelizers)，高效率地進行多頻段傳輸。來看圖4顯示的Band 3與Band 7情境，運用兩種不同方法將資料流直接轉換成射頻訊號。第一種方法(寬頻方法)沒有進行頻道化就能合成多個頻段，需用到1228.8MHz的資料傳輸率。這個頻寬的80%會產生一數位預失真(DPD)的983.04MHz合成頻寬，足以傳送兩個頻段，其頻段間隙為740MHz。這種方法的優點是適合DPD系統，不僅能針對每個載波的跨頻段互調失真(IMD)進行預失真處理，也可對欲使用頻段之間出現的非線性發射加以處理。
第二種方法是合成這些頻道化的頻段。由於這些頻段的寬度只有60MHz至70MHz，加上電信營運業者只擁有部分頻段的執照，因此無法在所有頻段上同時傳送以達到高資料傳輸率。所以，改用較適合的153.6MHz資料傳輸率，其中的80%產生122.88MHz的DPD頻寬。如果電信商在每個頻段上擁有20MHz的執照，仍有足夠的DPD頻寬來對每個頻段的跨頻段IMD進行五階(5th-Order)校正。這種模式在上述的寬頻方法中，除了能在DAC節省250mW的電力，基頻處理器也更省電/減少散熱資源的需求，因此能減少串列鏈路數量，開發出更小、更低成本的FPGA/ASIC元件。
另外，數位預失真的觀測接收器也進化成直接射頻(DRF)架構。AD9208這款14位元3 GSPS射頻ADC亦透過並列DDC支援多頻段通道化。發送器DPD子系統中的射頻DAC與射頻ADC也有許多好處，其中包括共用轉換器時脈，消除相關相位雜訊，以及系統的整體簡化。其中一項簡化就是AD9172射頻DAC配合內建的PLL，能從一個低頻參考訊號產生12GHz的時脈，故不須在無線電機板上繞送高頻時脈訊號。此外，射頻DAC能輸出一個相位一致的除頻(Divided Down)時脈回饋給ADC。藉由開發最佳化的多頻段發送晶片組，這樣的系統功能可以真正提升BTS數位預失真系統。
在智慧型手機掀起革命十年之後，手機企業目光焦點全都在資料吞吐量。要提高資料吞吐量，就必須用多個頻段進行載波聚合，藉此榨出更多頻譜頻寬。射頻資料轉換器除了能存取整個sub-6GHz手機頻譜，還能針對不同頻段組合快速重新設定，實現軟體定義無線電的功能。這些靈活調用頻率的直接射頻架構能降低產品的成本、尺吋、重量以及功耗。這點讓射頻DAC發送器與射頻ADC數位預失真接收器成為sub-6GHz多頻段基地台的理想架構。
