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11-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Wireless 60-GHz

Wireless 60-GHz Millimeterwellen-Backhaul für Mobilfunk Das Xilinx Zynq SoC ist ein beispielgebender Wegweiser, wie zukünftig hohe Performance und Flexibilität in Small-Cell-Netzen erreicht werden kann. Demonstrationsaufbau John Kilpatrick Consulting Engineer bei Analog Devices Robbie Shergill Strategic Applications Manager bei Analog Devices Manish Sinha Product Marketing Manager bei Xilinx Die Betreiber von Mobilfunknetzen halten intensiv Ausschau nach kostengünstigen Wegen zur Erweiterung ihrer Kapazitäten, und zwar um den Faktor 5000 bis 2030. Glasfaser ist die erste Wahl. Wo diese nicht verfügbar oder zu teuer ist, sind drahtlose Backhaul-Verbindungen die attraktivste Alternative. Derzeit entstehen Kommunikationssysteme auf der Basis von 60 GHz als Backhaul für tausende von Zellen im Outdoor- Bereich. Dieses Spektrum bietet bis zu 9 GHz an verfügbarer Bandbreite. Performance und Flexibilität Eine vollständige Zweiwegverbindung bei 60 GHz, die von Xilinx und Hittite Microwave (Teil von Analog Devices) als Demonstration entwickelt wurde, zeigt überlegende Performance und Flexibilität für die Anforderungen des Small-Cell Backhaul. Xilinx zeichnet für das digitale Modem verantwortlich und Analog Devices für das Millimeterwellen-Funksystem. Für diesen Link sind zwei Knoten erforderlich (Bild 1). Jeder enthält einen Sender (mit Modulator) mit der zugehörigen analogen TX-Verarbeitung und einen Receiver (mit Demodulator) mit analoger RX-Verarbeitung. Die Oszillatoren (DPLL) sind auf der Modemkarte integriert, um die Genauigkeit der Frequenzsynthese zu gewährleisten. Alle digitalen Funktionen residieren in einem FPGA oder SoC. Dieser Single-Carrier-Modemkern ermöglicht Modulationstypen von QPSK bis 256QAM mit Kanalbandbreiten bis zu 500 MHz und Datenraten bis zu 3,5 Gbit/s. Das Modem unterstützt FDD (Frequency-Division Duplex) und TDD (Time-Division Duplex). Sein robustes Design reduziert die Einwirkung des Phasenrauschens aus den Lokaloszillatoren. LDPC-Codierung ist eingeschlossen zur Verbesserung der Performance. Millimeterwellen- Modem Das Millimeterwellen-Modem ist auf die 28-nm-Produktfamilie Xilinx Zynq7000 All Programmable SoC oder Kintex-7 FPGA ausgerichtet. Neben der programmierbaren Logik (PL) enthält die skalierbare Verarbeitung der Plattform duale ARM-Cortex-A9-Kerne mit integrierten Speicher-Controllern und Multistandard-I/O für die Peripherie. Dieses SoC übernimmt zahlreiche Datenübertragungs- und Steuerfunktionen zur Hardware-Beschleunigung. Bild 2 zeigt die komplette Lösung mit PHY, Controller, Systemschnittstellen und Packet- Prozessor. Je nach der geforderten Architektur kann man verschiedene Module einsetzen, aktualisieren oder entfernen. Man könnte auch einen XPIC- Bild 1: Übersichtsdiagramm des vollständigen Zweiweg-Links 36 hf-praxis 11/2015

Wireless vom analogen Baseband auf den Milli meterwellenbereich (Bild 3). Mit verbessertem Frequenzsynthesizer überdeckt er 57 bis 66 GHz in 250-MHz- Schritten mit geringem Phasenrauschen. Er unterstützt Modulationsverfahren bis mindestens 64-QAM. Die lineare Ausgangsleistung wurde auf etwa 16 dBm erhöht, mit Überwachung durch einen integrierten Power-Detektor. Analoge oder digitale Einstellung Bild 2: Programmierbares SoC für drahtlose Modem-Applikationen Combiner implementieren, um das Modem im Cross-Polarization-Modus mit einem anderen Modem zu nutzen. Die Lösung ist als PL implementiert, wobei SERDES und I/Os als unterschiedliche Datenpfad-Interfaces eingesetzt werden, etwa zwischen Modem und Packet- Prozessor, Speicher, Modem und DAC/ADC. die FPGA-Parallelität für die in den Encodern und Decodern ausgeführten Berechnungen. Das Ergebnis ist eine deutliche Verbesserung im SNR-Verhalten. Die Xilinx-Modemlösung umfasst außerdem ein leistungsfähiges graphisches Interface (GUI), für Anzeige und Debugging. Sie absolviert High-Level- Funktionen, wie Bandbreiten- Kanalisierung oder Wahl des Modulationstyps, und einfache Aufgaben wie Steuerung der Hardware-Register. Um den Durchsatz von 3,5 Gbit/s der Lösung nach Bild 1 zu erreichen, arbeitet die Modem-IP mit einer Taktrate von 440 MHz. Sie nutzt fünf Gigabit-Transceiver zur Unterstützung der ADCs und DACs, und weitere für 10GbE-Payloads oder CPRI- Schnittstellen. Chipset für den Transceiver Analog Devices hat Ende 2014 die zweite Generation seines 60-GHz-Silizium-Germanium-Chipsets für Small- Cell Backhaul herausgebracht. Der Transmitter HMC6300 ist ein kompletter Up-Converter Wichtige Eigenschaften Weitere wichtige Eigenschaften der Xilinx Modem-IP sind automatisches, stoßfreies und fehlerfreies State Switching durch adaptive Codierung und Modulation (ACM), um die Verbindung aufrecht zu erhalten, sowie adaptive digitale Closed-Loop- Vorverzerrung (DCP) für bessere Effizienz und Linearität des HF- Verstärkers, synchrones Ethernet (SyncE) zur Taktsynchronisierung, und FEC mit Reed-Solomon- oder Low-Density-Paritätsprüfung (LDPC). Die FEC- Auswahl orientiert sich an den Anforderungen des Designs. LPDC FEC ist Standard für drahtlose Backhaul-Applikationen, für Low-Latency-Applikationen wie Front-Haul liegt der Vorzug auf Reed-Solomon FEC. Die LDPC-Implementierung ist stark optimiert und nutzt Bild 3: Blockschaltung des 60 GHz Transmitter-ICs HMC6300 Der Transmitter Chip bietet analoge oder digitale Einstellung der ZF- und HF-Verstärkung. Analoge Steuerung ist manchmal bei Modulationsverfahren höherer Ordnung nötig, da diskrete Werte als Amplitudenmodulation erscheinen und zu Bitfehlern führen könnten. Digitale Verstärkungseinstellung wird durch das eingebaute SPI-Interface unterstützt. In Applikationen mit Modulation höherer Ordnung in schmalen Kanälen kann ein externer PLL/ VCO mit noch geringerem Phasenrauschen in den Transmitter eingefügt werden, unter Umgehung des internen Synthesizers. Der Transmitter unterstützt eine Bandbreite von bis zu 1,8 GHz. Eine MSK-Modulator-Option ermöglicht die Lowcost-Datenübertragung mit bis zu 1,8 Gbit/s ohne teuere und leistungshungrige DACs. hf-praxis 11/2015 37

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