5G的出現促使人們重新思考從半導體到基站系統架構再到網(wǎng)絡(luò )拓撲的無(wú)線(xiàn)基礎設施。

在半導體層面上，硅基氮化鎵的主流商業(yè)化開(kāi)啟了提高射頻功率密度、節省空間和提高能效的大門(mén)，其批量生產(chǎn)水平的成本結構非常低，與LDMOS相當，遠低于碳化硅基氮化鎵。與此同時(shí)，對于高功率射頻應用，氮化鎵的用例已經(jīng)擴展到分立晶體管以外。 隨著(zhù)氮化鎵向商用4G LTE無(wú)線(xiàn)基礎設施的擴展，逐漸實(shí)現了規模經(jīng)濟，為氮化鎵順利進(jìn)入MMIC市場(chǎng)提供了有力支持，從而幫助系統設計人員實(shí)現更高水平的功能和設備集成，滿(mǎn)足新一代5G系統的需求。

同時(shí)，隨著(zhù)集成射頻、模擬和數字電路的射頻SoC不斷發(fā)展，數據處理速度發(fā)生了質(zhì)的飛躍（涵蓋極寬頻率范圍），可利用先進(jìn)的直接采樣功能。在電路板層面上，這消除了與特定頻率計劃相關(guān)的離散數據轉換器的需求，從而可實(shí)現具備數字靈活性和更多IO的小型系統。

在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)層面上，5G數據吞吐量要求重新審視了負責卸載和路由5G數據洪流的光學(xué)傳輸技術(shù)。通過(guò)全面了解從基站到網(wǎng)絡(luò )光纖的網(wǎng)絡(luò )（ 從射頻到光），系統設計人員可以更好地了解這些技術(shù)交叉出現時(shí)遇到的挑戰和機遇。

在這里，我們將評估用于集成多功能MMIC的硅基氮化鎵的優(yōu)勢、射頻片上系統(SOC)的優(yōu)勢以及影響5G無(wú)線(xiàn)基礎設施發(fā)展的先進(jìn)光通信技術(shù)架構。

氮化鎵和MMIC的創(chuàng )新

由于大規模MIMO天線(xiàn)配置的密度很大（單個(gè)5G基站中可擴展超過(guò)256個(gè)發(fā)射和接收元件），可用的 PCB空間就極為珍貴，特別是在較高頻率下。為了應對這一挑戰，目前我們正在用多功能MMIC取代5G基站設計中的分立IC和單功能MMIC。

除了通過(guò)多功能集成來(lái)節省空間外，還可通過(guò)降低設計復雜度，減少個(gè)別芯片封裝、測試和裝配的工作量來(lái)降低成本?？赏ㄟ^(guò)減少接口數量提高整體機械可靠性。

上述背景為硅基氮化鎵成功進(jìn)入商用半導體市場(chǎng)提供了良好的時(shí)機。由于硅基氮化鎵可向8英寸和12英寸硅晶圓擴展，因此可實(shí)現碳化硅基氮化鎵無(wú)法企及的成本效益以及LDMOS無(wú)法達到的功率密度 - 每單位面積的功率提高4至6倍。

為兼顧這兩個(gè)關(guān)鍵屬性，硅基氮化鎵進(jìn)一步突出了其卓越性能，即在芯片級集成強大的功能，為打造超緊湊型MMIC提供額外的空間優(yōu)化。其硅基底支持氮化鎵器件和基于CMOS的器件在單個(gè)芯片上同質(zhì)集成 - 碳化硅基氮化鎵由于工藝限制而無(wú)法提供該功能。這為多功能數字輔助射頻MMIC集成片上數字控制和校準以及片上配電網(wǎng)絡(luò )等奠定了基礎。

射頻SoC處理效率

對于5G基站基礎設施來(lái)說(shuō)，可通過(guò)基于硅基氮化鎵的多功能MMIC實(shí)現集成優(yōu)勢并減少硬件內容，而商業(yè)市場(chǎng)上新興的射頻SoC對此做出了進(jìn)一步的補充。射頻SoC集成了多個(gè)千兆位采樣射頻數據轉換器，可在很寬的頻率范圍內進(jìn)行高速數據處理，從而簡(jiǎn)化了數據流水線(xiàn)，并為增加射頻通道數量提供了可擴展的途徑。

采用傳統的超外差接收器架構時(shí)，信號必須先降頻為基帶信號，這需要一個(gè)混頻器和附加電路。 2.6 GHz射頻信號(4G LTE)需要下變頻到MHz級頻率范圍，這樣一來(lái)，傳統的ADC便可以較低的速度進(jìn)行采樣。

要將所有的頻率信息放入第一奈奎斯特頻帶，您需要以3倍的射頻頻率進(jìn)行采樣。為此，2.6 GHz信號需要以大約每秒8千兆次的采樣速率進(jìn)行采樣，遠遠超過(guò)傳統ADC的能力，傳統ADC的采樣速率要低得多，在400 MHz頻率范圍內通常為每秒3千兆次采樣。

新一代射頻SoC正竭力克服這一障礙，它能夠以高達每秒56千兆次的采樣速率對信號進(jìn)行采樣，從而可在極高射頻頻率下進(jìn)行直接射頻采樣，當然也可以選擇降低采樣速率。這種數字采樣功能消除了對傳統超外差接收器和離散數據轉換器的需求，同時(shí)也消除了超外差采樣所需的激勵器技術(shù)的需求。

射頻SoC可以將大量通道封裝到極小的器件中。從功能上看，可將4到16個(gè)通道裝入一個(gè)約12mm X 12mm的IC中，而無(wú)需通過(guò)多個(gè)電路板卡實(shí)現相同的目的 - 這就類(lèi)似于從老式旋轉電話(huà)發(fā)展到智能手機后，不但減小了體積，還增強了IO功能。在確立發(fā)展7nm間距射頻CMOS技術(shù)的明確方向后，通道密度將只能繼續增大，功耗優(yōu)化將繼續得到改善。

展望未來(lái)，射頻SoC所實(shí)現信號的失真情況將越來(lái)越少 - 先前無(wú)法糾正的模糊和不完善之處將很容易進(jìn)行糾正。在系統級，我們能夠再次見(jiàn)證多功能集成和減少組件數帶來(lái)的優(yōu)勢如何為經(jīng)濟實(shí)惠的5G基礎設施顯著(zhù)節省空間、降低功耗和壓縮成本。

另外值得注意的是，射頻SoC在相干波束成形中起到關(guān)鍵作用，這是一種用于先進(jìn)雷達系統的有源相控陣天線(xiàn)技術(shù)，可以提高6 Ghz以下無(wú)線(xiàn)基站的性能。憑借相干波束成形，大規模MIMO陣列中的每個(gè)發(fā)射和接收元件可與其他元件協(xié)同工作，以動(dòng)態(tài)地增加用戶(hù)方向的發(fā)射功率和接收器靈敏度，從而減輕來(lái)自其他源的噪聲、干擾和反射。系統設計人員可將硅基氮化鎵、異類(lèi)微波集成電路(HMIC)和相干波束成形技術(shù)相結合，在滿(mǎn)足大規模MIMO陣列緊湊尺寸約束的前提下實(shí)現高水平能效。

從射頻到光

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商和超大規模數據中心運營(yíng)商在順應5G發(fā)展的新形勢下目標一致 - 他們需要盡可能快速且經(jīng)濟高效地移動(dòng)數據。隨著(zhù)射頻和光通信技術(shù)的并行發(fā)展開(kāi)始相互交融，我們將更清楚地了解一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng )新如何影響其他領(lǐng)域的發(fā)展。

射頻基站實(shí)現的更快數據處理和吞吐速度同樣反映在從100G到400G光收發(fā)器模塊的過(guò)渡中，特別是在端口密度必須繼續增加以滿(mǎn)足數據中心對不斷增長(cháng)的數據量的需求。

實(shí)現更高集成度和減少組件數量是大勢所趨，這是向400G模塊發(fā)展的關(guān)鍵因素，其中單λ（又稱(chēng)單波長(cháng)）PAM-4調制方案的出現正在轉變模塊架構。對于100G收發(fā)器，單λ PAM-4技術(shù)可將激光器數量減少為一個(gè)，并消除了對光復用的需求。對于400G實(shí)施方案，僅需四個(gè)光學(xué)組件，對數據中心運營(yíng)商而言，這是一個(gè)通過(guò)極其緊湊且節能的模塊降低其成本的重大機遇。超大規模數據中心的這項創(chuàng )新將在不久后推廣到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。

在半導體層面上，硅光子技術(shù)的不斷進(jìn)步將改變新一代多功能MMIC的組成，從而利用已確立的CMOS工藝通過(guò)商業(yè)規模的制造技術(shù)在晶圓基底上一次生產(chǎn)數千個(gè)光學(xué)元件。憑借將基于氮化鎵的射頻器件與光學(xué)器件集成在單一硅片上的新功能（以極具吸引力的成本結構實(shí)現），可減少射頻元件和光學(xué)元件之間接口，從而通過(guò)網(wǎng)絡(luò )輕松實(shí)現更清晰、更快速的信號。

與此同時(shí)，硅基氮化鎵技術(shù)、多功能MMIC和射頻SoC的不斷發(fā)展將推動(dòng)射頻和微波行業(yè)朝著(zhù)實(shí)現更卓越、更經(jīng)濟高效的集成無(wú)線(xiàn)系統基礎設施的道路邁進(jìn)，最終完成5G連接的目標。

本文作者：MACOM副總裁兼首席架構師Tony Fischetti