在 5G 戰火紛飛之際，無論是基礎運營商、晶元商還是手機廠商，均以排兵布陣準備良久，只為等待「萬箭齊發」的最佳時機。且同時，為了加快商用的步伐，本月初，工業和信息化部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電頒發了 4 張 5G 商用牌照。

不過，5G 的發展並沒有想像中那麼快，工信和信息化部信息通信發展司司長聞庫也曾表示，「5G 全面商用還需耐心等待。網路建設從無到有需要過長，建得好不是 5G 的目的，用的好才是 5G 真正的目的。」

此前，我國提出的是 2017 年展開 5G 網路第二階段測試，2018 年大規模試驗組網，並在此基礎上於 2019 年啟動 5G 網路建設，最快 2020 年正式推出商用服務。如今看來，我國的各項建設均在有條不紊的進行中。但在此建設過程中，我們也發現，相比 4G，5G 所需建設的基站數量遠超乎我們想像。在這一點上，據悉，作為世界上第一個開通 5G 商用的國家，韓國將於今年內共建設 23 萬座 5G 基站；德國計劃在 2021 年建設 40000 個 5G 基站；橫縱對比，國內 5G 基站的基本數量已到達 581.4 萬，遠超過 4G 基站數量。

對此，我們不禁發問，以大容量、低延時、高帶寬為特性的 5G，為何需要建立如此龐大數量的基站？這其中的緣由又是為何？接下來，我們將從愛立信5G 專家、3GPP 5G NR 標準推動及制定者精心撰寫的《5G NR標準：下一代無線通信技術》一書中探尋到 5G 關鍵技術毫米波的相關奧秘。

毫米波射頻技術

毫米波通信引入了更大的帶寬，而更大的帶寬就會對數字域和模擬域之間的轉換髮起更高的挑戰。業內廣泛使用基於信號雜訊失真比（Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio，SNDR）的Schreier品質因數（Schreier Figure-of-Merit，Schreier FoM）作為模數轉換器的度量，參見：

這裡， 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研究結果展示了大量商業ADC的Schreier品質因數和對應奈奎斯特抽樣頻率（對絕大多數ADC就是2倍的帶寬）的關係。圖中的虛線標明了FoM的包絡，在100MHz的抽樣頻率以下基本上恆定在180dB。對於恆定的品質因數，SNDR每增加3dB或者帶寬增加一倍，都會導致功耗翻倍。對100MHz以上的抽樣頻率，會有一個額外的10dB/decade的損失，意味著帶寬增加一倍，功耗是原先的4倍。

圖19-1　ADC的Schreier品質因數

儘管隨著集成電路技術的持續發展，未來的高頻ADC品質因數包絡會緩慢地推高。但是帶寬在GHz範圍的ADC依然無法避免功率效率低下的問題。NR毫米波引入的大帶寬以及天線陣列配置都會引入很大的ADC功耗。因此對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較為簡單。而且ADC一般會引入循環處理而DAC不會。因此DAC在研究領域的關注度較低。儘管DAC結構和ADC有很大不同，DAC也可以用品質因數來描述。類似於ADC的情況，大帶寬和對發射機的不必要的苛刻的SNDR要求，會導致更高的DAC功耗。

本振和相位雜訊

本振（Local Oscillator，LO）是現代通信系統一個必不可少的組成部分。一個描述本振性能的參數是相位雜訊。簡單地說，相位雜訊就是本振產生信號在頻域上的穩定程度的衡量。相位雜訊的定義是在一個給定頻率偏移Δf處的dBc/Hz值，描述的是本振產生信號和期望頻率之間偏差Δf的可能性。

本振的相位雜訊會顯著影響系統性能。如圖19-2所示，以單載波為例，在加入了加性高斯白雜訊（Additive White Gaussian Noise，AWGN）建模的熱雜訊之後，比較了有相位雜訊和沒有相位雜訊兩種情況下的16QAM星座圖。對一個給定的符號錯誤率門限，相位雜訊會限制最高的調製階數，如圖19-2所示。換句話說，不同的調製階數會對本振的相位雜訊提出不同的要求。

圖19-2　有相位雜訊（右）和無相位雜訊（左）的單載波16QAM信號

自由振蕩器和鎖相環的相位雜訊特性

生成頻率最常用的電路是壓控振蕩器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）。圖19-3通過一個模型來建模自由振蕩的VCO對不同頻率偏移的特性。

圖19-3 一個典型的自由振蕩VCO 相位雜訊特性[57]：相位雜訊dBc/Hz（Y 軸）和頻率

這裡f0是振蕩器頻率，Δf是頻率偏移，PS是信號強度，Q是諧振器的載入品質因子，F是經驗擬合參數（對應的物理意義是雜訊係數），而Δf1/f3有源設備1/f雜訊的拐點頻率。

根據圖19-3所示公式，可以得出：

1. 振蕩器頻率f0加倍，則相位雜訊增加6dB。
2. 相位雜訊和信號強度Ps成反比。
3. 相位雜訊和諧振器載入品質因子Q的平方成反比。
4. 1/f雜訊上變頻提升了臨近載波頻點位置的相位雜訊（即：小頻率偏移）。

因此在設計VCO的時候，需要平衡幾個相關參數。為了比較不同半導體技術和電路拓撲下VCO的性能，往往使用品質因數（考慮了功耗的影響）來進行公平的比較：

其中是PNvco(f)VCO的相位雜訊，單位為dBc/Hz；是功耗，單位為W。這個公式值得注意的一點是相位雜訊和功耗（線性值）都與f20成正比。因此為了保持一定的相位雜訊，增加頻率N倍則意味著功耗需要增加N2倍（假定品質因數一定）。

一個通常的抑制相位雜訊的做法是使用鎖相環（Phase Locked Loop，PLL）。基本結構包括VCO、分頻器（frequency divider）、相位檢測器（phase detector）、環路濾波器（loop filter）和一個高穩定性低頻參考源（比如晶振）。鎖相環輸出的相位雜訊來源包括：

• 在環路濾波器帶寬之外的VCO相位雜訊部分。
• 環路之內的參考振蕩器產生的相位雜訊。
• 相位檢測器和分頻器的相位雜訊。

圖19-4　使用鎖相環的倍頻至28GHz的VCO的本振相位雜訊測量（Ericsson AB，經許可使

圖19-4提供了一個典型的毫米波本振的特性，顯示了一個28GHz本振相位雜訊的測量結果。該本振在低頻使用了鎖相環然後倍頻到28GHz。可以觀察到有4個不同特點的區間：

1. f1小頻率偏移<10kHz。大致按照30dB/decade的速率下降，主要來自1/f雜訊上變頻。
2. f2頻率偏移在鎖相環帶寬之內。相對平坦並包含多種雜訊來源。
3. f3頻率偏移大於鎖相環帶寬。大致按照20dB/decade的速率下降，主要來自VCO相位雜訊。
4. f4更大的頻率偏移>10MHz。平坦，主要來自底噪。

毫米波信號生成的挑戰

當振蕩器頻率從3GHz提升到30GHz，相位雜訊也會隨之提升。對特定頻率偏移，相位雜訊會惡化20dB數量級。這顯然會限制毫米波可用調製模式的最高階，最終限制毫米波的最高頻譜效率。

毫米波本振同樣受限於品質因子Q和信號強度Ps。Lesson方程指出，為了獲得較低的相位雜訊，必須提高品質因子Q和信號強度Ps，同時降低有源器件的雜訊係數。不幸的是，當本振頻率提高的時候，上述三個方面往往朝著不好的方向變化：

• 對單片壓控振蕩器（monolithic VCO），振蕩器的品質因子Q會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）變容二極體Q降低。
• 信號強度受限。這主要因為高頻操作需要更加先進的半導體設備，其擊穿電壓也會隨著尺寸的降低而降低。這些因素的影響在19.3節里介紹的功放部分也能觀察到，功放也會隨著頻率的增加而導致功放能力的下降（-20dB/decade）。

基於這些原因，在實現毫米波本振的時候，一般都是利用一個相對低頻的鎖相環然後倍頻到目標頻點上。

除了上述的挑戰，1/f雜訊上變頻也提升了臨近載波相位雜訊。當然1/f雜訊和實現技術非常相關，相比於垂直雙極器件（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）會產生更高的1/f雜訊。

為了完全集成MMIC/RFIC VCO和鎖相環，可以採用各種技術（從CMOS和BiCMOS到III-V族材料）。但是因為較低的1/f雜訊和較高的擊穿電壓，一般InGaP HBT是最為常用的。儘管有較為嚴重的1/f雜訊，少數情況下也會採用pHEMT設備。一些方案使用GaN FET結構，儘管可以獲得很高的擊穿電壓，但是1/f雜訊甚至會比GaAS FET器件設備還要高。圖19-5總結了不同的半導體技術，在100kHz頻偏範圍內相位雜訊性能和振蕩器頻率的關係。

圖19-5　不同的半導體技術下相位雜訊性能和振蕩器頻率的關係

最近的研究成果揭示了本振噪底對系統性能的影響。在符號速率比較低的情況下噪底對系統影響不大。但是當符號速率提高之後，比如5G NR，平坦噪底開始對調製後的信號EVM產生影響。如圖19-6所示為不同的符號速率和不同的噪底水平下測量發射信號的EVM結果。這類觀察意味著為寬頻通信進行毫米波本振系統設計的時候，需要額外關注技術的選擇、VCO拓撲和倍頻係數，以期得到合理的較低相位雜訊的噪底。

圖19-6　通過對7.5GHz上發射64QAM信號測量得到符號速率和本振噪底的關係

5G 在物聯網領域的技術應用實踐

以上僅為毫米波技術的部分，而為了幫助通信從業者、物聯網開發者、嵌入式程序員們更好了解並應用 5G 技術，CSDN 作為主辦方特別策劃以「5G 在物聯網領域的技術應用實踐」為主題的沙龍活動，邀請到來自愛立信中國研發部多天線高級專家朱懷松、愛立信中國研發部主人系統工程師劉陽，基於全新的 5G 標準，分享其在實踐中幫助解決物聯網各式各樣需求的方案。

從而讓開發者們得以深入了解無線物聯網需求的多樣性，以及 5G 是如何通過一個統一的框架來滿足未來的物聯網領域的需求的。此外，兩位專家還將探討相較幾乎滿足了人和互聯網連接需求的 4G，5G 在應用過程中還能夠提供哪些特有的功能滿足物聯網的應用。

除了以上兩位專家，微軟（中國）首席技術官韋青、北京郵電大學信息與通信工程學院多媒體技術教研中心主任&博士生導師孫松林、金山雲AIoT事業部高級研發總監肖江等，也會帶來精彩演講！

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