5G基站为何建得比4G多？
在 5g 战火纷飞之际，无论是基础运营商、芯片商还是手机厂商，均以排兵布阵准备良久，只为等待“万箭齐发”的最佳时机。且同时，为了加快商用的步伐，本月初，工业和信息化部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电颁发了 4 张 5g商用牌照。
不过，5g 的发展并没有想象中那么快，工信和信息化部信息通信发展司司长闻库也曾表示，“5g 全面商用还需耐心等待。网络建设从无到有需要过长，建得好不是 5g 的目的，用的好才是 5g 真正的目的。”
此前，我国提出的是 2017 年展开 5g 网络第二阶段测试，2018 年大规模试验组网，并在此基础上于 2019 年启动 5g 网络建设，最快 2020 年正式推出商用服务。如今看来，我国的各项建设均在有条不紊的进行中。但在此建设过程中，我们也发现，相比 4g，5g 所需建设的基站数量远超乎我们想象。在这一点上，据悉，作为世界上第一个开通 5g 商用的国家，韩国将于今年内共建设 23 万座 5g 基站；德国计划在 2021 年建设 40000 个 5g 基站；横纵对比，国内 5g 基站的基本数量已到达 581.4 万，远超过 4g 基站数量。
对此，我们不禁发问，以大容量、低延时、高带宽为特性的 5g，为何需要建立如此庞大数量的基站？这其中的缘由又是为何？接下来，我们将从爱立信5g 专家、3gpp 5g nr 标准推动及制定者精心撰写的《5g nr标准：下一代无线通信技术》一书中探寻到 5g 关键技术毫米波的相关奥秘。
毫米波射频技术
毫米波通信引入了更大的带宽，而更大的带宽就会对数字域和模拟域之间的转换发起更高的挑战。业内广泛使用基于信号噪声失真比（signal-to-noise-and-distortion ratio，sndr）的schreier品质因数（schreier figure-of-merit，schreier fom）作为模数转换器的度量，参见：
这里， sndr的单位是db，功耗p的单位是w，以及奈奎斯特抽样频率fs的单位是hz。图19-1研究结果展示了大量商业adc的schreier品质因数和对应奈奎斯特抽样频率（对绝大多数adc就是2倍的带宽）的关系。图中的虚线标明了fom的包络，在100mhz的抽样频率以下基本上恒定在180db。对于恒定的品质因数，sndr每增加3db或者带宽增加一倍，都会导致功耗翻倍。对100mhz以上的抽样频率，会有一个额外的10db/decade的损失，意味着带宽增加一倍，功耗是原先的4倍。
尽管随着集成电路技术的持续发展，未来的高频adc品质因数包络会缓慢地推高。但是带宽在ghz范围的adc依然无法避免功率效率低下的问题。nr毫米波引入的大带宽以及天线阵列配置都会引入很大的adc功耗。因此对基站和终端都需要考虑如何降低sndr的要求。
在同样的精度和速度要求下dac相比adc较为简单。而且adc一般会引入循环处理而dac不会。因此dac在研究领域的关注度较低。尽管dac结构和adc有很大不同，dac也可以用品质因数来描述。类似于adc的情况，大带宽和对发射机的不必要的苛刻的sndr要求，会导致更高的dac功耗。
本振和相位噪声
本振（local oscillator，lo）是现代通信系统一个必不可少的组成部分。一个描述本振性能的参数是相位噪声。简单地说，相位噪声就是本振产生信号在频域上的稳定程度的衡量。相位噪声的定义是在一个给定频率偏移δf处的dbc/hz值，描述的是本振产生信号和期望频率之间偏差δf的可能性。
本振的相位噪声会显著影响系统性能。如图19-2所示，以单载波为例，在加入了加性高斯白噪声（additive white gaussian noise，awgn）建模的热噪声之后，比较了有相位噪声和没有相位噪声两种情况下的16qam星座图。对一个给定的符号错误率门限，相位噪声会限制最高的调制阶数，如图19-2所示。换句话说，不同的调制阶数会对本振的相位噪声提出不同的要求。
自由振荡器和锁相环的相位噪声特性
生成频率最常用的电路是压控振荡器（voltage-controlled oscillator，vco）。图19-3通过一个模型来建模自由振荡的vco对不同频率偏移的特性。
这里f0是振荡器频率，δf是频率偏移，ps是信号强度，q是谐振器的加载品质因子，f是经验拟合参数（对应的物理意义是噪声系数），而δf1/f3有源设备1/f噪声的拐点频率。
根据图19-3所示公式，可以得出：
振荡器频率f0加倍，则相位噪声增加6db。
相位噪声和信号强度ps成反比。
相位噪声和谐振器加载品质因子q的平方成反比。
1/f噪声上变频提升了临近载波频点位置的相位噪声（即：小频率偏移）。
因此在设计vco的时候，需要平衡几个相关参数。为了比较不同半导体技术和电路拓扑下vco的性能，往往使用品质因数（考虑了功耗的影响）来进行公平的比较：
其中是pnvco(f)vco的相位噪声，单位为dbc/hz；是功耗，单位为w。这个公式值得注意的一点是相位噪声和功耗（线性值）都与f20成正比。因此为了保持一定的相位噪声，增加频率n倍则意味着功耗需要增加n2倍（假定品质因数一定）。
一个通常的抑制相位噪声的做法是使用锁相环（phase locked loop，pll）。基本结构包括vco、分频器（frequency divider）、相位检测器（phase detector）、环路滤波器（loop filter）和一个高稳定性低频参考源（比如晶振）。锁相环输出的相位噪声来源包括：
在环路滤波器带宽之外的vco相位噪声部分。
环路之内的参考振荡器产生的相位噪声。
相位检测器和分频器的相位噪声。
图19-4提供了一个典型的毫米波本振的特性，显示了一个28ghz本振相位噪声的测量结果。该本振在低频使用了锁相环然后倍频到28ghz。可以观察到有4个不同特点的区间：
f1小频率偏移10mhz。平坦，主要来自底噪。
毫米波信号生成的挑战
当振荡器频率从3ghz提升到30ghz，相位噪声也会随之提升。对特定频率偏移，相位噪声会恶化20db数量级。这显然会限制毫米波可用调制模式的最高阶，最终限制毫米波的最高频谱效率。
毫米波本振同样受限于品质因子q和信号强度ps。lesson方程指出，为了获得较低的相位噪声，必须提高品质因子q和信号强度ps，同时降低有源器件的噪声系数。不幸的是，当本振频率提高的时候，上述三个方面往往朝着不好的方向变化：
对单片压控振荡器（monolithic vco），振荡器的品质因子q会随着频率增加而快速降低。主要的原因是：（1）寄生损耗（parasitic loss）增加，诸如金属损耗（metal loss）或衬底损耗（substrate loss）增加。（2）变容二极管q降低。
信号强度受限。这主要因为高频操作需要更加先进的半导体设备，其击穿电压也会随着尺寸的降低而降低。这些因素的影响在19.3节里介绍的功放部分也能观察到，功放也会随着频率的增加而导致功放能力的下降（-20db/decade）。
基于这些原因，在实现毫米波本振的时候，一般都是利用一个相对低频的锁相环然后倍频到目标频点上。
除了上述的挑战，1/f噪声上变频也提升了临近载波相位噪声。当然1/f噪声和实现技术非常相关，相比于垂直双极器件（vertical bipolar device）如双极和hbt，一些平面器件诸如cmos和高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor，hemt）会产生更高的1/f噪声。
为了完全集成mmic/rfic vco和锁相环，可以采用各种技术（从cmos和bicmos到iii-v族材料）。但是因为较低的1/f噪声和较高的击穿电压，一般ingap hbt是最为常用的。尽管有较为严重的1/f噪声，少数情况下也会采用phemt设备。一些方案使用gan fet结构，尽管可以获得很高的击穿电压，但是1/f噪声甚至会比gaas fet器件设备还要高。图19-5总结了不同的半导体技术，在100khz频偏范围内相位噪声性能和振荡器频率的关系。
最近的研究成果揭示了本振噪底对系统性能的影响。在符号速率比较低的情况下噪底对系统影响不大。但是当符号速率提高之后，比如5g nr，平坦噪底开始对调制后的信号evm产生影响。如图19-6所示为不同的符号速率和不同的噪底水平下测量发射信号的evm结果。这类观察意味着为宽带通信进行毫米波本振系统设计的时候，需要额外关注技术的选择、vco拓扑和倍频系数，以期得到合理的较低相位噪声的噪底。
5g 在物联网领域的技术应用实践
以上仅为毫米波技术的部分，而为了帮助通信从业者、物联网开发者、嵌入式程序员们更好了解并应用 5g 技术，csdn 作为主办方特别策划以“5g 在物联网领域的技术应用实践”为主题的沙龙活动，邀请到来自爱立信中国研发部多天线高级专家朱怀松、爱立信中国研发部主人系统工程师刘阳，基于全新的 5g 标准，分享其在实践中帮助解决物联网各式各样需求的方案。
从而让开发者们得以深入了解无线物联网需求的多样性，以及 5g 是如何通过一个统一的框架来满足未来的物联网领域的需求的。此外，两位专家还将探讨相较几乎满足了人和互联网连接需求的 4g，5g 在应用过程中还能够提供哪些特有的功能满足物联网的应用。
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5G基站为何建得比4G多？
固体环网柜的一些归类和通称的简单介绍
放大器的噪声问题(1)
第一届物联网标准化国际论坛于上海举行
小家电大能量：探究其背后的创新连接器技术
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此前，我国提出的是 2017 年展开 5g 网络第二阶段测试，2018 年大规模试验组网，并在此基础上于 2019 年启动 5g 网络建设，最快 2020 年正式推出商用服务。如今看来，我国的各项建设均在有条不紊的进行中。但在此建设过程中，我们也发现，相比 4g，5g 所需建设的基站数量远超乎我们想象。在这一点上，据悉，作为世界上第一个开通 5g 商用的国家，韩国将于今年内共建设 23 万座 5g 基站；德国计划在 2021 年建设 40000 个 5g 基站；横纵对比，国内 5g 基站的基本数量已到达 581.4 万，远超过 4g 基站数量。
对此，我们不禁发问，以大容量、低延时、高带宽为特性的 5g，为何需要建立如此庞大数量的基站？这其中的缘由又是为何？接下来，我们将从爱立信5g 专家、3gpp 5g nr 标准推动及制定者精心撰写的《5g nr标准：下一代无线通信技术》一书中探寻到 5g 关键技术毫米波的相关奥秘。
毫米波射频技术
毫米波通信引入了更大的带宽，而更大的带宽就会对数字域和模拟域之间的转换发起更高的挑战。业内广泛使用基于信号噪声失真比（signal-to-noise-and-distortion ratio，sndr）的schreier品质因数（schreier figure-of-merit，schreier fom）作为模数转换器的度量，参见：
这里， sndr的单位是db，功耗p的单位是w，以及奈奎斯特抽样频率fs的单位是hz。图19-1研究结果展示了大量商业adc的schreier品质因数和对应奈奎斯特抽样频率（对绝大多数adc就是2倍的带宽）的关系。图中的虚线标明了fom的包络，在100mhz的抽样频率以下基本上恒定在180db。对于恒定的品质因数，sndr每增加3db或者带宽增加一倍，都会导致功耗翻倍。对100mhz以上的抽样频率，会有一个额外的10db/decade的损失，意味着带宽增加一倍，功耗是原先的4倍。
尽管随着集成电路技术的持续发展，未来的高频adc品质因数包络会缓慢地推高。但是带宽在ghz范围的adc依然无法避免功率效率低下的问题。nr毫米波引入的大带宽以及天线阵列配置都会引入很大的adc功耗。因此对基站和终端都需要考虑如何降低sndr的要求。
在同样的精度和速度要求下dac相比adc较为简单。而且adc一般会引入循环处理而dac不会。因此dac在研究领域的关注度较低。尽管dac结构和adc有很大不同，dac也可以用品质因数来描述。类似于adc的情况，大带宽和对发射机的不必要的苛刻的sndr要求，会导致更高的dac功耗。
本振和相位噪声
本振（local oscillator，lo）是现代通信系统一个必不可少的组成部分。一个描述本振性能的参数是相位噪声。简单地说，相位噪声就是本振产生信号在频域上的稳定程度的衡量。相位噪声的定义是在一个给定频率偏移δf处的dbc/hz值，描述的是本振产生信号和期望频率之间偏差δf的可能性。
本振的相位噪声会显著影响系统性能。如图19-2所示，以单载波为例，在加入了加性高斯白噪声（additive white gaussian noise，awgn）建模的热噪声之后，比较了有相位噪声和没有相位噪声两种情况下的16qam星座图。对一个给定的符号错误率门限，相位噪声会限制最高的调制阶数，如图19-2所示。换句话说，不同的调制阶数会对本振的相位噪声提出不同的要求。
自由振荡器和锁相环的相位噪声特性
生成频率最常用的电路是压控振荡器（voltage-controlled oscillator，vco）。图19-3通过一个模型来建模自由振荡的vco对不同频率偏移的特性。
这里f0是振荡器频率，δf是频率偏移，ps是信号强度，q是谐振器的加载品质因子，f是经验拟合参数（对应的物理意义是噪声系数），而δf1/f3有源设备1/f噪声的拐点频率。
根据图19-3所示公式，可以得出：
振荡器频率f0加倍，则相位噪声增加6db。
相位噪声和信号强度ps成反比。
相位噪声和谐振器加载品质因子q的平方成反比。
1/f噪声上变频提升了临近载波频点位置的相位噪声（即：小频率偏移）。
因此在设计vco的时候，需要平衡几个相关参数。为了比较不同半导体技术和电路拓扑下vco的性能，往往使用品质因数（考虑了功耗的影响）来进行公平的比较：
其中是pnvco(f)vco的相位噪声，单位为dbc/hz；是功耗，单位为w。这个公式值得注意的一点是相位噪声和功耗（线性值）都与f20成正比。因此为了保持一定的相位噪声，增加频率n倍则意味着功耗需要增加n2倍（假定品质因数一定）。
一个通常的抑制相位噪声的做法是使用锁相环（phase locked loop，pll）。基本结构包括vco、分频器（frequency divider）、相位检测器（phase detector）、环路滤波器（loop filter）和一个高稳定性低频参考源（比如晶振）。锁相环输出的相位噪声来源包括：
在环路滤波器带宽之外的vco相位噪声部分。
环路之内的参考振荡器产生的相位噪声。
相位检测器和分频器的相位噪声。
图19-4提供了一个典型的毫米波本振的特性，显示了一个28ghz本振相位噪声的测量结果。该本振在低频使用了锁相环然后倍频到28ghz。可以观察到有4个不同特点的区间：
f1小频率偏移10mhz。平坦，主要来自底噪。
毫米波信号生成的挑战
当振荡器频率从3ghz提升到30ghz，相位噪声也会随之提升。对特定频率偏移，相位噪声会恶化20db数量级。这显然会限制毫米波可用调制模式的最高阶，最终限制毫米波的最高频谱效率。
毫米波本振同样受限于品质因子q和信号强度ps。lesson方程指出，为了获得较低的相位噪声，必须提高品质因子q和信号强度ps，同时降低有源器件的噪声系数。不幸的是，当本振频率提高的时候，上述三个方面往往朝着不好的方向变化：
对单片压控振荡器（monolithic vco），振荡器的品质因子q会随着频率增加而快速降低。主要的原因是：（1）寄生损耗（parasitic loss）增加，诸如金属损耗（metal loss）或衬底损耗（substrate loss）增加。（2）变容二极管q降低。
信号强度受限。这主要因为高频操作需要更加先进的半导体设备，其击穿电压也会随着尺寸的降低而降低。这些因素的影响在19.3节里介绍的功放部分也能观察到，功放也会随着频率的增加而导致功放能力的下降（-20db/decade）。
基于这些原因，在实现毫米波本振的时候，一般都是利用一个相对低频的锁相环然后倍频到目标频点上。
除了上述的挑战，1/f噪声上变频也提升了临近载波相位噪声。当然1/f噪声和实现技术非常相关，相比于垂直双极器件（vertical bipolar device）如双极和hbt，一些平面器件诸如cmos和高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor，hemt）会产生更高的1/f噪声。
为了完全集成mmic/rfic vco和锁相环，可以采用各种技术（从cmos和bicmos到iii-v族材料）。但是因为较低的1/f噪声和较高的击穿电压，一般ingap hbt是最为常用的。尽管有较为严重的1/f噪声，少数情况下也会采用phemt设备。一些方案使用gan fet结构，尽管可以获得很高的击穿电压，但是1/f噪声甚至会比gaas fet器件设备还要高。图19-5总结了不同的半导体技术，在100khz频偏范围内相位噪声性能和振荡器频率的关系。
最近的研究成果揭示了本振噪底对系统性能的影响。在符号速率比较低的情况下噪底对系统影响不大。但是当符号速率提高之后，比如5g nr，平坦噪底开始对调制后的信号evm产生影响。如图19-6所示为不同的符号速率和不同的噪底水平下测量发射信号的evm结果。这类观察意味着为宽带通信进行毫米波本振系统设计的时候，需要额外关注技术的选择、vco拓扑和倍频系数，以期得到合理的较低相位噪声的噪底。
5g 在物联网领域的技术应用实践
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从而让开发者们得以深入了解无线物联网需求的多样性，以及 5g 是如何通过一个统一的框架来满足未来的物联网领域的需求的。此外，两位专家还将探讨相较几乎满足了人和互联网连接需求的 4g，5g 在应用过程中还能够提供哪些特有的功能满足物联网的应用。
高通/联发科/三星明年决战中高端手机芯片市场
教教大家如何花式点亮一排灯,老司机准备起飞了！
二极管单相桥式整流滤波电路讲解
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Prophesee为AIoT应用重塑 DVS 摄像头
5G基站为何建得比4G多？
固体环网柜的一些归类和通称的简单介绍
放大器的噪声问题(1)
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为了供应，英伟达将GPU装换为AI引擎
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