近期，6 GHz 频段被划分用于无线通信系统，为实现高速、低延迟应用开辟了新的可能性。在这个背景下，ADI 公司推出的 16 nm 收发器系列为该频段提供了一种高度集成的解决方案，兼具低功耗和高性能。本文将深入介绍 6 GHz 频段，并详细讨论 ADI 收发器系列所采用的零中频架构的优势，同时重点介绍 16 nm 收发器系列的主要特性和在不同场景中的应用。
随着无线通信系统的不断演进，各方也在持续探索和采用新技术和新频谱。对于无线行业的从业者而言，3GPP（第三代合作伙伴计划）将 6 GHz 频段纳入频率范围 1 (FR1) 是个令人鼓舞，但也在预料之中的好消息。通过将原来的 FR1 在低频和高频两端都进行扩展，从 [450 MHz 至 6000 MHz] 扩展至 [410 MHz 至 7125 MHz]，行业能够访问大量新增频谱，为未来的增长和创新开拓了新机遇。
相较于旧版 FR1 频段，新的 6 GHz 频段支持更宽的带宽：n96 为 1200 MHz（5925 MHz 至 7125 MHz），n102 为 500 MHz（5925 MHz 至 6425 MHz），n104 为 700 MHz（6425 MHz 至 7125 MHz）。通过提供网络能耗性能良好且传播率优于频率范围 2 (FR2) 频段的高容量频谱，新的 6 GHz 频段必将成为无线连接的重要资源。2020 年，美国联邦通信委员会 (FCC) 将 6 GHz 频段划定给免授权的 Wi-Fi 使用，这使得 6 GHz 频段在市场内极具竞争力。
ADI 16 nm 收发器是一款高度集成的器件，提供 8T8R（八个发射器和八个接收器）和 4T4R（四个发射器和四个接收器）两种配置，具有多种数字前端功能，包括数字预失真 (DPD)、削峰 (CFR)、载波数字上变频器和下变频器（CDDC 和 CDUC），而且具有省电节能特性。
其架构方面，如图 1 所示，ADI 的 16 nm 收发器系列集成了八个差分发射器 (Tx0 - 7)、八个差分接收器 (Rx0 - 7) 和两个差分观测接收器 (ORx0 - 1)。可调谐频率的范围介于 400 MHz 至 7125 MHz 之间，以两个射频 (RF) 合成器作为本振 (LO)。可调谐带宽高达 600 MHz。为了连接到基带处理器，设计了高速 JESD204B/JESD204C 接口。
发射器采用零中频架构，来自数模转换器 (DAC) 的同相和正交 (I/Q) 基带信号通过基带低通滤波器 (LPF) 进行重构和滤波，然后通过模拟调制器和 LO 进行上变频，得到射频输出信号。与射频采样转换器相比，零中频发射器提供更高的线性度和抗噪声性能，而且功耗相对较低。DAC 转换函数的一般形式为 sin (x)/x，其频率响应并不平坦，模拟输出在较高频率时会出现衰减。采样过程中会生成目标信号的镜像，需要将镜像滤除，否则会污染无线电频谱，违反 3GPP 和 FCC 的发射要求。因此，DAC 的可用输出频率通常为采样时钟速率的 40%。为了使射频采样在 6 GHz 频段（ 7.125 GHz）有效运行，DAC 采样时钟必须在高于 18 GHz 的频率运行，这会消耗大量功率。而零中频发射器只需对基带 I/Q 信号进行数字化处理，DAC 采样时钟就能够降低至 3 GHz 以支持 6 GHz 频段，由此可在整个 6 GHz 频段实现更平坦的输出功率，并实现更低的噪声谱密度 (NSD) 与相对较低的能耗。通常情况下，即使采用相同的工艺，对于典型的单频段应用而言，要实现同等的抗噪声性能，射频采样转换器的功耗比基带 I/Q 转换器高出大约 125%。
在接收器路径上，通过使用模拟解调器和 LO，对射频输入进行下变频，得到基带 I/Q 信号。连续时间 Σ - Δ ADC 专门用于对基带 I/Q 信号进行数字化处理。该 ADC 集成了固有的抗混叠滤波功能，与传统采样技术相比，大大放宽了滤波要求。在射频输入端口，宽带匹配功能可在 6 GHz 频段提供平坦的频率响应。基带放大器可以采用经典拓扑，通过使用反馈电路来提供良好的线性度和抗噪声性能。然而，射频采样接收器需要在射频频段进行成本高昂的额外滤波。为了对 6 GHz 频段进行采样，射频采样 ADC 需要 8 GSPS 采样时钟，以便转换来自第二奈奎斯特区的目标信号，因此，如果不进行强力滤波来减轻影响，就无法避免产生的信号发生混叠。或者，可使用高于 15 GSPS 的采样时钟来放宽抗混叠要求，但与零中频的基带 I/Q 采样相比，这种方法的能耗明显更高。相比之下，零中频的基带 I/Q 采样仅需 3 GSPS 左右的低 I/Q 采样时钟便能满足性能需求。此外，零中频接收器的 NSD 通常与频段无关，6300 MHz 和 7100 MHz 时的 NSD 几乎相同。
在这种高度集成的收发器中，两个观测接收器均设计为射频采样架构，通过适当的前端设计，为用于功率放大器 (PA) 的 DPD 环回接收器、用于发射器输出功率的监控路径或者用于射频频谱的嗅探接收器等提供性能保障。为了支持各种应用，观测接收器可配置为在四种采样时钟速率下工作，从而灵活地在带宽、NSD 性能和功率之间进行选择。
采样时钟可用的奈奎斯特带宽NSD与 2949.12 MSPS 相比增加的相对功率
2949.12 MSPS1274.56 MHz-144 dBFS/Hz0 mW
3932.16 MSPS1766.08 MHz-145 dBFS/Hz235 mW
5898.24 MSPS2749.12 MHz-147 dBFS/Hz365 mW
7864.32 MSPS3732.16 MHz-148 dBFS/Hz780 mW
ADI 的 16 nm 收发器广泛部署于 sub - 6G 大规模 MIMO 系统，已有数百万台搭载了这项技术的基站收发台 (BTS) 设备在实际应用中投入使用，足以证明这款收发器是 sub - 6G 频谱内的可靠无线电解决方案。从 2025 年起，得益于扩展后的 3GPP FR1，这款收发器也将在 6 GHz 频段下提供同样出色的性能及以下优势。
在支持宽带宽方面，它在发射器和接收器上支持 600 MHz 瞬时带宽 (IBW)，为 PA 的数字预失真 (DPD) 支持 800 MHz 合成带宽；两个观测接收器可用作 PA 数字预失真的反馈信道；具有高达 19.66 Gbps/32.44 Gbps 的 JESD204B/JESD204C 数字接口，支持宽带宽。
在减少信道间相位变化的技术上，采用了多芯片同步 (MCS)，作为器件初始化的一部分，MCS 状态机采用系统全局参考信号 (SYSREF) 来复位数据转换器时钟及数字数据路径上的所有其他时钟，以使时钟相位与器件时钟 (DEVCLK) 同步，从而使从 JESD 接口到数据转换器的相位保持一致。此外，MCS 状态机会对射频 PLL 相位进行复位，以与 DEVCLK 和 LO 分配路径上的分配器保持一致，从而在射频输入和输出端口实现整体相位对齐。同时，针对发射器衰减引起的相位补偿，为减轻相位变化，针对每个发射器的衰减指数，添加了预表征的相位补偿，从而确保每当系统调整衰减时都会应用相位校正。在收发器中融入这些技术有助于将信道初始化为更一致的启动条件，从而降低系统天线校准的复杂性。这样，通过降低射频 PLL 对温度的依赖性并减轻增益变化引起的相位变化，天线校准便能在操作过程中以更低的频率运行。
在功耗节省方面，采用了非连续传输 (DTX) 模式。对于传统的无线电单元，即使蜂窝单元里没有用户，能耗也相当高。这款收发器内置 DTX 功能，可在空传输时间间隔 (TTI) 期间，关闭发射器数据路径中的组件。配置了 DTX 后，当收发器检测到 “零数据” 条件时，便会关闭功率放大器及其他发射器组件。检测到非零数据时，器件会快速激活。在使用实际的移动网络运营商数据的场景中，这项技术将 RU 能耗降低了 30% 以上，同时不影响服务质量 (QOS)。
2020 年，美国 FCC 表决通过了允许免授权的无线局域网在 6 GHz 频段内运行的决议。之后，Wi-Fi 联盟为 Wi-Fi 6E 信道分配了 5925 MHz 至 7125 MHz 的频谱，在传统 2.4 GHz 频段和 5 GHz 频段的基础之上，多增加了 14 个额外的 80 MHz 信道或 7 个额外的 160 MHz 信道。ADI 的 16 nm 收发器系列覆盖 6 GHz 频段，提供出色的性能，并且可以在能耗与带宽之间灵活权衡，亦能从前面部分讨论的零中频架构中获益。单个无线电芯片通过空间分集（4 倍或 2 倍天线分集）即可支持 1200 MHz。如前所述，这款收发器支持 600 MHz IBW，通过与两个内部 LO 结合使用，单个芯片可覆盖整个 1200 MHz 频段。对于整个 1200 MHz 频段，收发器配置为支持四根天线（四个信道）。LO0 用于信道 0 至 3，以覆盖所有四个信道上的 U-NII - 5 和 U-NII - 6。同样，对于 U-NII - 7 和 U-NII - 8 的信道 4 至 7，LO1 将配置为 6825 MHz。两个 600 MHz 频段可通过高速 JESD204C 接口同时发送到基带。
此外，6 GHz 频段 Wi-Fi 频谱可分成 59 个信道，每个信道的带宽为 20 MHz，或支持七个信道，每个信道的带宽为 160 MHz。除了上述宽带宽配置，收发器还可配置为窄带宽，以降低能耗。例如，当数据速率为 245.76 MSPS 时，信号带宽可为 160 MHz，JESD 通道速率可低至 9.8 Gbps 运行。在 1200 MHz 频段内，射频 LO 频率可以灵活配置，以覆盖整个 6 GHz 频段。与宽带宽配置相比，在这种低功耗配置下，收发器可节省 20% 的功耗。
对于频谱扫描应用，观测接收器可配置为 7.8 GHz，无缝覆盖 Wi-Fi 6 GHz 频段。如图 8 所示，6 GHz 频段位于第二奈奎斯特区的高频段范围，相应地，在奈奎斯特区，通过利用接收器数据路径上的 NCO，反转的 6 GHz 频谱可转换为基带。
在无线通信市场中，随着新技术和新频谱的持续引入，运营商迫切需要经济高效的解决方案。因此，高度集成的低功耗解决方案变得更加重要。ADI 公司的 16 nm 收发器系列在单个芯片上集成了八个信道和高性能模拟前端及数字前端功能（DPD、CFR 和 CDDC/CDUC）。零中频架构提供低功耗收发器解决方案，并在器件中集成了省电特性 (DTX)，以便通过控制 PA 来进一步降低系统功耗。此外，得益于灵活的配置，这种架构能够灵活适用于无线 BTS 和 Wi-Fi 系统等多种应用。
