本文重點(diǎn)比較了模擬、數(shù)字和混合波束成形架構(gòu)的功率效率。為接收相控陣開發(fā)了三種架構(gòu)功耗的詳細(xì)基于方程的模型。該模型清楚地說明了各種組件對(duì)總功耗的貢獻(xiàn)，以及功率如何隨各種陣列參數(shù)而縮放。比較不同陣列架構(gòu)的每波束帶寬乘積功耗，表明混合方法適用于具有大量晶片的毫米波相控陣的優(yōu)勢(shì)。

介紹

在本文中，比較了不同的波束成形方法，特別關(guān)注創(chuàng)建多個(gè)同時(shí)波束的能力和功率效率。相控陣在現(xiàn)代雷達(dá)和通信系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用，這重新引起了人們對(duì)提高系統(tǒng)性能和效率的興趣。數(shù)字波束成形（DBF）及其與傳統(tǒng)模擬方法相比的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)眾所周知數(shù)十年，但與數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)的各種挑戰(zhàn)阻礙了其采用。隨著特征尺寸的不斷縮小和計(jì)算能力的指數(shù)級(jí)增長，我們現(xiàn)在看到了對(duì)采用數(shù)字相控陣的廣泛興趣。雖然DBF具有許多吸引人的特性，但功耗和成本的增加仍然是一個(gè)問題。由于具有卓越的功率效率，波束成形的混合方法可能適用于許多應(yīng)用。

模擬與數(shù)字波束成形

波束成形的核心是一種延遲和求和運(yùn)算，可以在模擬域或數(shù)字域中進(jìn)行。模擬波束成形也可以根據(jù)延遲或相移在信號(hào)鏈中的哪個(gè)位置進(jìn)行分類。在本文中，僅考慮RF波束成形。如圖1a所示，來自天線元件的信號(hào)經(jīng)過加權(quán)和組合以形成波束，然后由混頻器和信號(hào)鏈的其余部分進(jìn)行處理。這就是傳統(tǒng)上相控陣的實(shí)施方式。

圖1.（a） 模擬和 （b） 數(shù)字波束成形架構(gòu)的比較。

這種架構(gòu)的缺點(diǎn)之一是難以創(chuàng)建大量同步波束。現(xiàn)在，為了創(chuàng)建多個(gè)波束，每個(gè)元件的信號(hào)需要在延遲和獨(dú)立求和之前被分割。執(zhí)行此操作所需的可變振幅和相位（VAP）塊的數(shù)量與元件數(shù)量和光束數(shù)量成正比。VAP模塊以及網(wǎng)絡(luò)的分割和組合占用了大量面積，除了幾個(gè)波束之外，分割和組合網(wǎng)絡(luò)的面積要求和復(fù)雜性不斷提高，使得實(shí)現(xiàn)多個(gè)同步模擬波束變得不切實(shí)際。對(duì)于平面陣列，面積的增加也使得難以將電子元件安裝在由元件間距決定的網(wǎng)格內(nèi)。此外，更根本的是，每次分頻時(shí)，信噪比（SNR）都會(huì)降低，并且本底噪聲限制了信號(hào)在被掩埋在本底噪聲之前可以分離的次數(shù)。

另一方面，使用DBF，創(chuàng)建多個(gè)同時(shí)光束相對(duì)容易。如圖1b所示，每個(gè)元件的信號(hào)被獨(dú)立數(shù)字化，然后在數(shù)字域中進(jìn)行波束成形操作。一旦進(jìn)入數(shù)字領(lǐng)域，就可以創(chuàng)建信號(hào)的副本，而不會(huì)損失任何保真度。然后，可以將信號(hào)的新副本延遲并相加以創(chuàng)建新的波束。理論上，這可以根據(jù)需要重復(fù)多次，從而產(chǎn)生無限數(shù)量的光束。實(shí)際上，數(shù)字信號(hào)處理的限制以及相關(guān)的功率和成本將限制波束數(shù)量或波束帶寬積。此外，DBF中的波束數(shù)量可以即時(shí)重新配置，這是模擬技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。DBF還承諾更好的校準(zhǔn)和自適應(yīng)調(diào)零。所有這些優(yōu)勢(shì)使DBF在通信和雷達(dá)系統(tǒng)中的各種相控陣應(yīng)用中具有吸引力。但所有這些好處都是以增加成本和功耗為代價(jià)的。基帶上的DBF需要為每個(gè)元件提供一個(gè)ADC和一個(gè)混頻器，而對(duì)于模擬波束成形，每個(gè)波束需要一個(gè)ADC和一個(gè)混頻器。組件數(shù)量的增加顯著增加了功耗和成本，特別是對(duì)于大型陣列。此外，由于DBF中的波束成形發(fā)生在基帶上，混頻器和ADC受到每個(gè)元件寬視場(chǎng)中存在的任何信號(hào)的影響，因此需要具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍才能處理可能的干擾源。對(duì)于RF波束成形，混頻器和ADC享有空間濾波的優(yōu)勢(shì)，因此可以放寬動(dòng)態(tài)范圍要求。在保持相位相干性的同時(shí)分配高頻LO信號(hào)也是DBF實(shí)現(xiàn)的一個(gè)挑戰(zhàn)，并增加了功耗。

數(shù)字波束成形的計(jì)算要求是影響整體功耗的重要因素。DSP必須處理的數(shù)據(jù)量與元件數(shù)量、波束數(shù)量和信號(hào)的瞬時(shí)帶寬成正比。

對(duì)于以毫米波頻率工作的大型陣列，信號(hào)帶寬通常很大，數(shù)據(jù)負(fù)載可能非常高。例如，對(duì)于具有500 MHz帶寬和8位ADC的1024元件陣列，DSP每個(gè)波束每秒需要處理約8 Tb的數(shù)據(jù)。移動(dòng)和處理如此大量的數(shù)據(jù)需要大量的電力。就計(jì)算負(fù)載而言，這將轉(zhuǎn)化為大約 4×1012每個(gè)波束的每秒乘法運(yùn)算數(shù)。對(duì)于全信號(hào)帶寬下的多波束，所需的計(jì)算能力超出了當(dāng)今DSP硬件的能力范圍。在典型實(shí)現(xiàn)中，波束帶寬積保持恒定，因此對(duì)于不斷增加的波束數(shù)量，總帶寬在波束之間分配。數(shù)字信號(hào)處理通常以分布式方式完成，以便能夠處理大量數(shù)據(jù)。但這通常需要在波束成形靈活性、功耗、延遲等方面進(jìn)行各種權(quán)衡。除了處理能力外，各種DSP模塊的高速輸入/輸出數(shù)據(jù)接口也會(huì)消耗大量功率。

混合波束成形

混合波束成形，顧名思義，結(jié)合了模擬和數(shù)字波束成形技術(shù)，在兩者之間提供了一個(gè)中間地帶。一種方法是將陣列劃分為較小的子陣列，并在子陣列內(nèi)執(zhí)行模擬波束成形。如果子陣列中的晶片數(shù)量相對(duì)較小，則產(chǎn)生的光束相對(duì)較寬，如圖2所示。每個(gè)子陣列都可以被認(rèn)為是一個(gè)具有某種方向輻射圖的超元素。然后使用來自子陣列的信號(hào)執(zhí)行數(shù)字波束成形，從而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于陣列全孔徑的高增益窄波束。與全數(shù)字波束成形相比，使用這種方法，混頻器和ADC的數(shù)量以及數(shù)據(jù)處理負(fù)載的大小會(huì)減少子陣列的大小。這大大節(jié)省了成本和功耗。對(duì)于 32×32 晶片陣列，2×2 的子陣列大小會(huì)產(chǎn)生 256 個(gè)子陣列，半功率波束寬度 （HPBW） 為 50.8° 或 0.61 個(gè)球面度。使用來自 256 個(gè)子陣列的信號(hào)，使用 DBF 可以創(chuàng)建盡可能多的波束。對(duì)應(yīng)于全孔徑的HPBW為3.2°或0.0024 sr。然后可以在每個(gè)子陣列的波束內(nèi)創(chuàng)建大約254個(gè)數(shù)字波束，而不會(huì)彼此重疊。與全DBF相比，這種方法的一個(gè)局限性是所有數(shù)字波束都將包含在子陣列圖案的視場(chǎng)內(nèi)。子陣列模擬波束當(dāng)然也可以轉(zhuǎn)向，但在單個(gè)時(shí)間點(diǎn)，模擬波束寬度對(duì)最終波束的指向位置施加了限制。

圖2.混合波束成形。

由于子陣列模式通常很寬泛，因此對(duì)于許多應(yīng)用來說，這可能是一個(gè)可以接受的權(quán)衡。對(duì)于需要更大靈活性的其他設(shè)備，可以創(chuàng)建多個(gè)獨(dú)立的模擬波束來解決此問題。這將需要在RF前端增加VAP模塊，但與全DBF相比，仍然可以減少ADC和混頻器的數(shù)量。如圖3所示，可以創(chuàng)建兩個(gè)模擬波束以實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍，同時(shí)仍將混頻器、ADC和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流的數(shù)量減少兩倍。

圖3.具有多個(gè)模擬波束的混合波束成形。

與DBF相比，混合波束成形也會(huì)導(dǎo)致旁瓣退化。當(dāng)數(shù)字波束被掃描到遠(yuǎn)離模擬波束中心的地方時(shí)，由于相位控制的混合性質(zhì)，會(huì)引入相位誤差。子陣列內(nèi)晶片之間的相位增量由模擬聲束控制確定，并且無論數(shù)字掃描角度如何，它都保持固定。對(duì)于給定的掃描角度，數(shù)字控制只能將適當(dāng)?shù)南辔粦?yīng)用于子陣列的中心，并且當(dāng)我們從中心向子陣列的邊緣移動(dòng)時(shí)，相位誤差會(huì)增加。這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)陣列出現(xiàn)周期性相位誤差，從而降低波束增益并產(chǎn)生準(zhǔn)旁瓣和光柵瓣。這些效應(yīng)隨著掃描角度的增加而增加，與純模擬或數(shù)字架構(gòu)相比，這是混合波束成形的一個(gè)缺點(diǎn)。通過使誤差不周期性，可以改善旁瓣和光柵瓣的退化，這可以通過混合子陣列大小、方向和位置來實(shí)現(xiàn)。

電源效率

本節(jié)從接收相控陣的角度比較了模擬、數(shù)字和混合波束成形的功率效率。模擬、數(shù)字和混合波束成形的功耗模型分別在公式2、3和4中給出。表1給出了各種符號(hào)的含義及其后續(xù)分析的假定值。

關(guān)于功耗模型的一些關(guān)鍵點(diǎn)是：

假設(shè)所有三種波束成形架構(gòu)的混頻器RF信號(hào)功率相同。

在一些已發(fā)表的文獻(xiàn)中，有人認(rèn)為，對(duì)于DBF，由于ADC的量化噪聲對(duì)SNR的影響會(huì)降低陣列因子，因此與模擬波束成形相比，可以減少所需的位數(shù)。然而，在DBF中，ADC還需要具有更高的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)樗鼈儾幌硎芸臻g濾波的優(yōu)勢(shì)，并且需要處理每個(gè)元件輻射方向圖視場(chǎng)中存在的所有干擾源。考慮到這一點(diǎn)，假設(shè)ADC的位數(shù)對(duì)于該模型中的所有情況都是相同的。

對(duì)于DBF，波束帶寬積受DSP處理能力的限制，可變DSP會(huì)考慮這一點(diǎn)。衛(wèi)生紙.對(duì)于混合情況，最大處理能力與功耗的降低成正比。

DBF 的 DSP 電源有兩個(gè)組件 — 計(jì)算和 I/O。每個(gè)復(fù)雜的乘法都需要四個(gè)實(shí)乘和累加（MAC）運(yùn)算，并基于“評(píng)估信號(hào)處理應(yīng)用的每瓦性能趨勢(shì)”。5MAC操作的功耗計(jì)算為每個(gè)GMAC約為1.25 mW。在這種情況下，I/O 消耗大部分 DSP 功率，基于“在 16nm FinFET 中使用 32 路時(shí)間交錯(cuò) SAR ADC 的 56-Gb/s PAM4 有線收發(fā)器”，估計(jì)為 10 mW/Gbps。6對(duì)于需要更密集計(jì)算的更復(fù)雜的波束成形方法，功率比的偏差較小，但總DSP功率會(huì)增加。此外，此模型中的 I/O 功耗假定數(shù)據(jù)傳輸最少。根據(jù)DBF架構(gòu)，I/O中的功耗可能會(huì)更高。

ADC和DSP計(jì)算的功耗呈指數(shù)級(jí)增長，取決于位數(shù)。因此，可以通過減少位數(shù)來大幅降低這些功率數(shù)。另一方面，DSP I/O功耗是最大的貢獻(xiàn)者，其隨位數(shù)的擴(kuò)展幅度較小。

路由損耗 （L路徑） 通過組合硅 IC 和低損耗 PCB 上的 GCPW 傳輸線損耗來計(jì)算。對(duì)于片上傳輸線，假設(shè)損耗為0.4 dB/mm，對(duì)于PCB走線8，損耗為0.025 dB/mm。據(jù)估計(jì)，5%的線路將在芯片上，其余的將在PCB上。對(duì)于模擬波束成形，考慮了RF合并所需的路由損耗，而對(duì)于數(shù)字波束成形，則考慮了LO分配網(wǎng)絡(luò)的損耗。

對(duì)于混合模型，假設(shè)每個(gè)光束對(duì)應(yīng)于陣列的完整孔徑。

功耗對(duì)光束數(shù)量的依賴性如圖4所示。對(duì)于模擬情況，改變光束數(shù)量需要更改設(shè)計(jì)，而在DBF中，光束數(shù)量可以使用相同的設(shè)計(jì)即時(shí)更改。對(duì)于混合情況，具有固定數(shù)量的模擬光束（ns） 被考慮。還假設(shè)，當(dāng)光束數(shù)小于ns，則未使用路徑中的放大器將斷電。

圖4.模擬、數(shù)字和混合（具有四個(gè)模擬波束）波束成形架構(gòu)的功耗與波束數(shù)量。對(duì)于模擬情況，該線顯示為四個(gè)波束以上的虛線，以表示使用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)更多波束的難度。對(duì)于數(shù)字和混合情況，一旦達(dá)到DSP的容量，功率和波束帶寬積就會(huì)變得恒定。

對(duì)于單波束，由于額外的混頻器、LO放大器和ADC的開銷，數(shù)字實(shí)現(xiàn)會(huì)消耗更多的功率。功率增加的速率取決于數(shù)字外殼的聚合數(shù)據(jù)速率的增加;對(duì)于模擬情況，它與補(bǔ)償分裂和額外VAP模塊損耗所需的功率有關(guān)。由于上述分離和組合網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，使用模擬波束成形實(shí)現(xiàn)大量波束是不切實(shí)際的，并且四個(gè)以上波束的虛線反映了這一事實(shí)。對(duì)于DBF，一旦達(dá)到最大DSP容量，功耗就不會(huì)再增加。超過該點(diǎn)，每個(gè)波束的帶寬會(huì)隨著波束數(shù)量的增加而降低。DBF在功耗方面確實(shí)與ABF收支平衡，并且對(duì)于大量光束消耗的功率更少。與DBF相比，混合方法顯著降低了功率開銷和斜率，并更快地實(shí)現(xiàn)了盈虧平衡點(diǎn)。

圖5比較了三種情況下波束形成的功率效率，其中繪制了每個(gè)波束帶寬乘積的功耗。在這種情況下，模擬波束成形始終保持更高效。混合方法從兩個(gè)極端之間的某個(gè)地方開始，可以與大量光束的模擬情況相媲美。

圖5.比較模擬、數(shù)字和混合波束成形架構(gòu)的功率效率。

結(jié)論

本文介紹的比較和功耗模型僅適用于接收（Rx）相控陣。對(duì)于傳輸情況，一些基本假設(shè)將發(fā)生變化，完整DBF架構(gòu)的功耗損失可能不那么嚴(yán)重。即使對(duì)于接收情況，三種架構(gòu)之間的差異也在很大程度上取決于公式2至4中概述的參數(shù)。對(duì)于表 1 中給出的參數(shù)值以外的參數(shù)值，圖形之間的差異將發(fā)生變化。但可以肯定地說，混合方法將為許多應(yīng)用節(jié)省大量功耗，同時(shí)保留數(shù)字波束成形的大部分優(yōu)勢(shì)。如前所述，采用混合路線也有缺點(diǎn)，但對(duì)于許多應(yīng)用來說，這些權(quán)衡可能值得節(jié)省功耗。

審核編輯：郭婷