赛灵思里程碑式新品发布!集成硬IP的Zynq RFSoC DFE满足5G多样性需求!

作者:电子创新网张国斌

如同4G一样,5G技术也是在建设和商用中不断完善,这会导致接入网设备设计挑战不断提升,如何应对这样的挑战?我们来看看擅长自我突破的赛灵思这回又捣鼓出了 什么新品?

目前,我们已经进入了5G的第二波建设阶段,运营商提出了很多新的要求,如每个通道需要处理更多信息、需要更高的瞬时带宽,需要有更高的集成度水平等,当然也还有降低功耗、更高容量和更低成本的要求。

此外,运营商方面O-RAN(开放无线接入网) 和 TIP(Telecom Infrastructure Project,电信基础设施项目)的推进,也提出了开发基于开放和解耦架构的5G基站设备的需求,以满足运营商5G低成本建网和灵活快速网络部署需求。尤其是O-RAN提出要将 基站将变成基于通用硬件的平台,采用标准开放接口和硬件加速方案,实现软、硬件解耦和组件模块化,支持CU/DU/RU灵活部署。这些要求对5G基站设计提出了严峻的挑战。

“要应对这样的挑战只有依靠FPGA,有几个原因,一是5G 时代的 ASIC NRE 成本比 4G 时代高出 3 倍,二是ASIC需要两年设计周期,三是5G标准不断在升级,ASIC 难以适应5G NR 部署的变化,所以Zynq RFSoC DFE 是大规模部署的理想替代方案。”今天,Xilinx 公司有线与无线事业部高级总监Gilles Garcia在接受电子创新网等媒体采访时指出,“我们预计5G在未来十年还会不断地升级,很多原来采用ASIC的客户,都开始采用FPGA方案,赛灵思的Zynq RFSoC DFE可以说实现了两个领域的最佳平衡,它是结合了FPGA和ASIC两种器件的长处。包括ASIC的成本、性能和功耗和FPGA的自适应硬件和灵活性优势! 我相信ASIC在大量无线电应用中还是有竞争力的,但由于5G市场的碎片化,50万台以下市场,DFE的竞争力很强!”

他提到的赛灵思Zynq RFSoC DFE就是我们今天要谈的重点,也是赛灵思今天重磅发布的新品--Zynq® RFSoC DFE!这是一个集赛灵思设计大成的里程碑式产品!

可以说,这是一类全新的具有突破性意义的自适应无线电平台,旨在满足不断演进的 5G NR 无线应用标准。据Gilles Garcia介绍Zynq RFSoC DFE,通过硬化的无线电IP的突破性集成,大大地提高了效率。由于实现了突破性集成,该器件能够满足5G NR部署的全部的新要求,并且可以实现两倍的单位功耗性能。这是赛灵思唯一一个集成了无线的芯片,能够紧跟5G演进发展的自适应硬件!

Zynq RFSoC DFE 将硬化的数字前端( DFE )模块与灵活应变的可编程逻辑相结合(下图中蓝色部分都是集成的硬IP),为涵盖低、中、高频段频谱的广泛用例打造了高性能、低功耗且经济高效的 5G NR 无线电解决方案。可以说,Zynq RFSoC DFE 在采用硬化模块的 ASIC 的成本效益与可编程与自适应 SoC 的灵活性、可扩展性及上市时间优势之间实现了最佳技术平衡。

需要指出的是,这个产品系列已经迭代到第三代了,2016年,赛灵思推出了第一代Zynq RFSoC,主要覆盖4GHz以下频段,是2018年推出的第二代覆盖5GHz以下频段,主要针对中国和日本的频段,现在的第三代,将在11月份实现量产,覆盖到7.125GHz频段。“从2017年到现在的大多数5G的NR早期产品,都是采用Zynq MPSoC/RFSoC进行部署的。”Gilles Garcia强调。“当然这三代产品也都支持毫米波频谱和频带,从24—52GHz都支持,但我们今天推出的这款新产品,却不是简简单单的一个Zynq RFSoC的升级,它是一个质变,它针对无线市场,能够包含所有的硬化DFE链。”

如何应对5G多样性需求

5G 无线电所需的解决方案,不仅要满足广泛部署所提出的带宽、功耗和成本挑战,还必须适应三大关键 5G 用例:增强型移动宽带( eMBB )、大规模机器类通信( mMTC )以及超可靠低时延通信( URLLC )。

Gilles Garcia此外,解决方案必须能够随不断演进的 5G 标准进行扩展,如 OpenRAN( O-RAN )、全新的颠覆性 5G 商业模式。从下图看,即使是5G大规模的部署,4G也不会消失。我们有很多的运营商,其实他是希望无线电是能够同时支持4G和5G,或者叫做多模式。Zynq RFSoC DFE可在单个无线电单元上,为多模式,包括LTE和5G和RAN共享提供支撑。

Zynq RFSoC DFE 集成了针对 5G NR 性能与节电要求而硬化的 DFE 应用专用模块,同时还提供了结合可编程自适应逻辑的灵活性,从而为日益发展的 5G 3GPP 和 O-RAN 无线电架构提供了面向未来的解决方案。

从右上图看带有O—RAN的分解RAN,分布式单元和无线电单元之间,会有基带的分裂,7.3、7.2、7.1,也就是需要在无线电单元和分布式单元之间灵活地分割基带处理,Zynq RFSoC DFE就能够做到这一点。

另外,频谱是在不断变化的,实际上未来还有很多频谱有待分配,如R16,R17版的5G标准,就会去许可一些之前还没有分配的频谱,如6GHz,7.125GHz等,另外还有毫米波的话,就是比52GHz更高的频段。所以Zynq RFSoC DFE在FIE和优化毫米波接口中,能够提供直接IF多频段,三频段等。

“我们现在集成到FDE里面的这些硬核IP,其实在之前几代RFSoC里面,它们是以软IP形式存在的,存在于可编程逻辑里。但现在我们提供的是经过3GPP认证和验证的,且也是经过实地部署的硬化IP,说明我们能够有能力去配置这些硬化IP,帮助我们在DFE里面能实现类似ASIC这种功能,既可以能支持4GLTE,也能够支持5GNR。”他强调,“我们的这个DFE,它仍然有集成扩展的处理器子系统,而且也有少量的可编程逻辑,但它很大一块是硬化ASIC IP,我们的DFE芯片能够实现8T8R的多频段操作。”

据他介绍,RFSoC DFE 硬化了所有的DFE IP,包括DPD,CFR,DDC / DUC,通道滤波器和其他一些信号处理IP,例如重采样和均衡器。这些是计算量最大的部分,设计可以直接受益于硬化的 IP 。RFSoC DFE还包括对ADC和DAC RF电路的一些更新,用以将模拟带宽扩展到7.125GHz。

有些人曾认为赛灵思的Zynq RFSoC就是把FPGA集成了ADC和DAC,而且这些ADC和DAC的性能要弱于真正做ADC/DAC的厂家,其实这个想法大错特错,实际上 ,赛灵思Zynq® UltraScale+™ RFSoC集成的 RF-ADC(12 位)和 RF-DAC(14 位)与顶级模拟 IC 厂商提供的同样位精度数据转换器相比,不仅 NSD、IM3 和 ACLR 指标更胜一筹,而且赛灵思 Zynq UltraScale+ RFSoC 还能降低功耗,增强可编程性并提高集成度。因此,Zynq UltraScale+ RFSoC 便于系统设计人员创建非常灵活的 SDR 应用,并且解决竞争对手的直接 RF 采样解决方案存在的大量问题。这是集成的器件详细功能框图和指标截图。



赛灵思 Zynq UltraScale+ RFSoC 12 位 RF-ADC性能测试,其中 fin = –1dBFS @ 240MHz,fs = 3.93216GSPS(SFDR 使用赛灵思 RF 数据转换器评估工具测得)

Gilles Garcia表示Zynq RFSoC中的直接 RF采样转换器和数字RF的优势是可以自适应(通过软件控制)全球频段。RF采样转换器提供了DC到7.125GHz的RF范围,通过控制数字滤波器和一些简单的外部滤波器,RFSOC DFE可以在任何频带中工作。

另外,他表示在5G射频和数字链中的多个地方都需要滤波器。 不过在输入RF频率上需要一个相当简单的模拟镜像抑制滤波器。从这点看所有滤波器都是数字化的,包括抽取、内插和抽取滤波器在PG269文件中进行了描述。RFSoC DFE中的通道滤波器是可配置的,并满足3GPP对5MHz及更高频率的要求,这样设计师只需为其应用配置滤波器,而无需重新设计。


他表示Zynq RFSoC DFE可以满足不同载波需求的系统容量,该解决方案是业界唯一一款直接 RF 采样平台,能够在所有 FR1 频带和新兴频带(最高可达 7.125GHz)内实现载波聚合/共享、多模式、多频带 400MHz 瞬时带宽。这是业界唯一支持400MHz瞬时带宽的无线电平台,而且是为非常高的带宽而设计的。

与上一代产品相比,Zynq RFSoC DFE 将单位功耗性能提升高达两倍,并且能够从小蜂窝扩展至大规模 MIMO( mMIMO )宏蜂窝。

他表示,当用作毫米波中频收发器时,Zynq RFSoC DFE 可提供高达 1600 MHz 的瞬时带宽。Zynq RFSoC DFE 的架构支持客户绕过或定制硬化的 IP 模块。例如,客户既可以利用支持现有和新兴 GaN Pas 的赛灵思经现场验证的 DPD,也可以插入其自有的独特 DPD IP。

该方案可以提供更高的运算量和更低的功耗,总功耗可以降低50%!

“这个DFE是一个非常完美、非常完整的一个单芯片方案,可以支持8T8R的无线电,也可以支持大规模的MIMO的5G NR,但是如果你也可以有两个DFE,可以实现16T16R 400MHz的无线电,四颗芯片可以实现32T32R方案,8颗可以实现是64T64R设计。”他强调,“如果未来3GPP引入了更高频段,我们也会跟进,另外,我们预计会在2022年到2023年把7nm工艺引入RFSoC。”

供货情况

现已面向早期试用客户提供 Zynq RFSoC DFE 设计文档和技术支持,大批量供货预计从 2021 年上半年开始。进一步了解全系列 Zynq UltraScale+ RFSoC,包括最新推出的 Zynq RFSoC DFE,请访问以下链接:china.xilinx.com/rfsoc-dfe。

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