RRU设计原理与实现

本书从实用性的角度出发阐述了无线射频核心单元RRU（RemoteRadioUnit）的设计，全面介绍了基带数字信号到空口射频信号的处理过程。全书由七个章节组成，分别阐述了数字信号处理，射频信号处理，信号监测过程以及软件方案实现等，后展望了RRU未来的技术发展。

作者简介
　　韦兆碧，
　　毕业于西安交通大学，工学博士，高级工程师，电子科学与技术领域博士后。2004年加入中兴通讯，精通数字硬件及射频系统设计，RRU产品研发团队负责人，有10余年中射频硬件开发经验。在国内外刊物发表论文二十余篇，拥有发明专利5项。

　　侯建平，
　　毕业于西安电子科技大学，工学学士。2000年加入中兴通讯，有30余年中射频硬件及系统开发经验，射频专家，射频系统负责人，拥有发明专利2项。

　　王珊，
　　毕业于西安电子科技大学，工学硕士。2009年加入中兴通讯，有10年射频硬件开发经验，射频子系统负责人，精通射频器件规划和收发信系统设计。在国内外刊物发表论文1篇，拥有发明专利4项。

　　宋滨，
　　毕业于西安电子科技大学，工学硕士。2005年加入中兴通讯，有10余年数字硬件开发经验，硬件系统专家，数字中频系统负责人，精通数字中频硬件和系统设计。带领团队完成了多款主力发货机型设计生产，拥有发明专利1项。

　　赵娜，
　　毕业于西安电子科技大学，工学硕士。2007年加入中兴通讯，射频链路架构专家，精通射频链路设计分析，有10余年TRX链路设计开发经验。在国内外刊物发表论文3篇，拥有发明专利4项。

　　李从伟，
　　毕业于西北工业大学，工学硕士。2006年加入中兴通讯，数字系统架构专家，精通数字信号处理，软件无线电理论及应用。有10余年无线通信系统设计经验，拥有发明专利3项。

　　惠培智，
　　毕业于西安交通大学，工学硕士。2012年加入中兴通讯，中频逻辑系统负责人，精通FPGA系统开发及算法优化实现，在国内外刊物发表论文5篇。

适读人群 ：本书可以从工程应用和实际设计角度提高通信和电子信息类相关课程的教学效果，提高学生的设计能力，成为学校与企业应用之间的桥梁，在与业界结合的系统设计与实现方面提高学
（1）作者团队来自中兴通讯，在无线通信领域拥有10余年丰富设计经验。
（2）从工程应用角度，详细讲解RRU的系统架构、功能组件和设计方法，深入解读RRU的设计原理及实现。

为什么要写这本书
每年参加校园招聘会我都会有这样的感受：学生在学校里学习的理论知识跟用人单位的实际需求存在一定的差距。在过去的十几年中，这个差距一直没有减小。通信系统专业的学生不了解基站的组成；电磁场与微波技术专业的学生不知道什么叫RRU，更不清楚RRU的工作原理。另外，很多学生不知道自己在课堂上学到的专业知识是属于通信系统的哪一部分，如何将其应用到实际的通信系统之中。其实，和找工作的同学一样，从事通信系统研发多年的从业者当被问起通信系统相关的知识时，经常也是只知道自己所做的那一点，面对更多相关内容的问题往往都很难准确回答。
这一现象的出现并不能完全责怪学校教育与现实应用的脱节，也不能责怪员工没有用心学习相关知识。我认为其中有一个很重要的原因就是，科技发展到今天，社会分工越来越精细，对于专业的划分也越来越细致：一方面对于各个专业点的要求越来越深入，另一方面对系统宏观认识的机会越来越少。产品竞争越来越激烈，尤其是各个通信设备制造厂商之间的竞争，已经进入白热化，各项技术指标要求越来越高，很多指标要求已经接近理论极限。投入的精力和人力越多，厂家的指标越好，在市场的竞争中就越有利。然而，对于任何一个专业方向和技术点而言，我们所做的设计都是要服务于整个通信系统。如果在做设计时，没有从系统层面去考虑，就很难做出整体最优的方案。
正是由于上述的问题，我一直有编写一本关于RRU设计类书籍的冲动，这样一方面能够自上而下把RRU整个系统的结构讲清楚；另一方面，针对每个专业方向和技术点都能够深入浅出地讲明白。这本书的内容要不同于其他专业性教材，其不需要太多的理论公式，最主要的是从工程应用出发，以信号流的方向，把RRU的组成及各部分功能详尽、专业地介绍明白。编写这本书，目的是架起学校教学与工程应用的桥梁，为无线通信从业者贡献一本高质量的入门级教材，同时也为我身边从事了十几年无线射频研发的朋友们做一个工作总结，为社会尽一点微薄之力。当我把我的想法告诉我的团队后，团队中的几位射频专家完全认同我的想法，而且都有着相似的愿望。所以从2016年下半年开始，我们就着手编写这本书，历经一年半的努力，书稿终于成型。当我第一次汇总出完整的书稿时，我很兴奋，它确实符合了我当初的设想。本书从工程应用出发，深入浅出，既能展示技术全貌，又能把每个技术点讲得很透彻。本书各个章节的内容都是多年研发经验的浓缩和沉淀，所以实用性和应用性毋庸置疑。
读者对象
无线通信专业的高年级本科生和研究生
无线通信相关企业和研究机构的员工
有志于学习现代无线通信射频子系统的初学者
本书特色
本书以信号流为方向，自上而下对RRU系统的组成及原理进行了详尽说明，各部分内容均为业界主流应用的技术，具有较强的时效性和实用性，对各部分的设计方法都有详尽说明和相关举例，方便初学者加深印象。本书面向本科生和研究生的教学和课程体系改革，旨在从工程应用和实际设计角度提高通信和电子信息类相关课程的教学效果，提高学生的设计能力，成为学校和企业应用之间的桥梁，希望结合业界通信系统的设计来提高学生的实践能力。
如何阅读本书
作为一本科技应用类图书，本书以信号流向为顺序，详细介绍了RRU单元中各子系统的设计方法。从实用性出发，阐述了“学以致用”的理念。
本书一共分为9章：第1章系统地介绍了RRU的架构、组网方式以及关键指标参数等内容；第2章介绍了RRU的数字中频链路系统、数字混频、多速率信号处理、对外接口等内容；第3章介绍了无线射频的核心算法模块CFR和DPD的原理与实现；第4章介绍了数模和模数转换模块的作用、基本指标、选型以及评估方法，此外还对目前业界主流的AD/DA技术做了相应介绍；第5章对时钟处理模块的作用、时钟处理模块相关的性能指标、时钟芯片的选型和性能评估以及时钟的设计等几个方面进行了细致介绍；第6章对收发信机的系统指标及指标分解、收发信机的设计架构及测试等几个维度进行了说明。第7章主要介绍了功率放大器的指标与设计，以及无源模块双工和天线的设计；第8章概括性介绍了RRU产品的可靠性设计以及电源设计的主要特点；第9章介绍了移动通信和RRU技术演进的趋势以及未来5G RRU关键无线技术等内容。
勘误和支持
由于笔者水平有限，编写时间仓促，书中难免会出现一些错误或者不准确的地方，恳请读者批评指正。为此，笔者特意创建了一个在线支持与应急方案的二级站点http://book.blendercn.org。你可以将书中的错误发布在Bug勘误表页面中。如果你遇到任何问题，也可以访问该网站下的Q&A页面，笔者将尽量为你在线上提供解答。书中的全部源文件可以从华章网站（www.hzbook.com）下载。如果你有更多的宝贵意见，也欢迎发送邮件至邮箱[email protected]，期望能够得到你们的真挚反馈。
致谢
首先要感谢参与本书编写的侯建平、王珊、宋滨、赵娜、李从伟、惠培智等专家，大家牺牲了一年的业余时间，经过不懈努力才能完成这本书的编写。感谢中兴通讯IT技术学院闫林副院长的大力支持和帮助，因为有了他，才有本书在机械工业出版社出版的机会。
感谢机

序
前　言
第1章　RRU概述 1
1.1　现代移动通信系统的发展历程 1
1.2　RRU系统 5
1.3　分布式基站 5
1.4　RRU系统架构 7
1.4.1　RRU硬件子系统 8
1.4.2　RRU软件子系统 10
1.5　RRU组网形式 10
1.6　RRU关键指标参数 11
第2章　中频数字链路 16
2.1　RRU的数字中频链路系统 16
2.2　数字混频 19
2.2.1　数字控制振荡器工作原理（NCO） 19
2.2.2　数字控制振荡器的性能分析 21
2.2.3　CORDIC算法 22
2.3　多速率信号处理 25
2.3.1　数字滤波器 26
2.3.2　有限脉冲响应滤波器的设计与实现 28
2.4　对外接口 46
2.4.1　光口子系统 46
2.4.2　204B接口 54
第3章　数据处理模块 65
3.1　CFR算法 65
3.1.1　削峰算法的基本原理 66
3.1.2　硬削峰 67
3.1.3　峰值窗削峰 67
3.1.4　脉冲抵消削峰 68
3.1.5　脉冲抵消削峰的实现 69
3.1.6　级联削峰技术 69
3.2　DPD算法 70
3.2.1　功放的线性化校准 70
3.2.2　DPD的基本原理 72
3.2.3　DPD的整体架构和流程 74
3.2.4　反馈信号处理 76
3.2.5　DPD的数据预处理 79
3.2.6　数据预处理的主要流程框图 79
3.2.7　预失真模型建立技术 82
3.2.8　预失真参数求解技术 84
3.2.9　预失真流程和策略技术 86
3.2.10　开环DPD技术 89
第4章　数模/模数转换模块 91
4.1　概述 91
4.2　数模转换模块的设计 92
4.2.1　数模转换模块的作用 92
4.2.2　DAC器件基本指标 92
4.2.3　DAC的选型 97
4.2.4　DAC的评估方法 98
4.2.5　DAC的设计 101
4.3　模数转换模块的设计 121
4.3.1　模数转换模块的作用 121
4.3.2　ADC器件基本指标 122
4.3.3　ADC的选型 123
4.3.4　ADC器件的评估方法 126
4.3.5　ADC的设计 128
4.4　目前业界主流的ADC技术 136
4.4.1　CTSD ADC 136
4.4.2　Pipeline ADC 137
4.4.3　Pipelined-SAR ADC 138
4.4.4　时间交织（Time-interleaved）技术介绍 139
第5章　时钟处理模块 140
5.1　时钟处理的作用 140
5.1.1　时钟处理在无线网络中的作用 140
5.1.2　时钟处理在RRU产品中的作用 141
5.2　时钟处理模块相关的性能指标 142
5.2.1　时钟抖动基础知识 142
5.2.2　时钟的相位噪声 151
5.3　时钟芯片的选型 156
5.4　时钟芯片性能的评估 158
5.5　时钟的设计 162
5.5.1　时钟的仿真和配置 162
5.5.2　时钟的电源设计 168
5.5.3　时钟的PCB设计 172
第6章　收发信机射频系统设计 181
6.1　概述 181
6.2　收发信机系统指标 184
6.2.1　发射机系统指标 184
6.2.2　接收机系统指标 185
6.3　收发信机指标分解 188
6.3.1　发射机指标分解 188
6.3.2　反馈指标分解 193
6.3.3　接收机指标分解 195
6.4　收发信机设计实现 204
6.4.1　发射机架构 204
6.4.2　接收机架构 213
6.5　收发信机测试 221
6.5.1　发射机测试 221
6.5.2　接收机测试 222
第7章　射频前端 225
7.1　功率放大器模块 225
7.2　功率放大器的指标 227
7.3　功率放大器的设计 231
7.3.1　末级电路 232
7.3.2　驱动级电路 238
7.3.3　激励级电路 239
7.3.4　功率信号取样电路 240
7.3.5　功率放大器保护电路 240
7.4　无源模块 240
7.4.1　双工器 240
7.4.2　天线单元 247
第8章　可靠性及电源设计 257
8.1　可靠性设计 257
8.1.1　系统的可靠性模型 257
8.1.2　可靠性指标分配 258
8.1.3　可靠性初步预计 258
8.1.4　器件的可靠性 259
8.1.5　系统存储环境的考虑 261
8.1.6　系统使用环境的考虑 261
8.1.7　减震缓冲设计的考虑 262
8.2　电源 262
第9章　RRU未来展望 266
9.1　移动通信及RRU技术演进 266
9.2　5G RRU关键无线技术 268
9.2.1　mm Wave技术 268
9.2.2　全双工技术 270
9.2.3　Massive MIMO多天线技术 271
9.2.4　全新散热技术 276
9.2.5　高效PA技术 277