Digital PA — NB-IoT芯片的核心

NB，其实就这么事

说起无线通信，你会想到什么？

手机 2G/3G/4G？Wifi 802.11 b/n/g/ac？

过去二十年，整个移动通信的发展几乎只有一个路线图——更快。手机4G已经让高清直播成为现实；5G Wifi已经让有线网毫无用武之地。可是，这个趋势，在2017年被一个奇怪的新名字打破——NB-IOT这个能贯上牛逼（NB）姓氏的新协议和我们过去三十年的无线通信节奏到底有什么区别？

NB-IoT 全称 窄带（蜂窝） 物联网，

特点是：

（一）窄带通信、传输速率低

（二）采用常用的蜂窝网络通信

（Cellular Nework：GSM/LTE/。..）

（三）低成本、低功耗（电池供电10年寿命）

他是面向物联网的无线通信协议旨在定义万物相连后通信规则比如：让共享单车与后台相连，不再扫码解锁。那么 NB-IoT 会取代目前的低功耗、低成本的窄带无线通信协议么？比如：蓝牙和Zigbee？那以后耳机都是NB-IoT的了啊？NB-IoT和目前窄带无线通信最大的区别在于NB-IoT采用公网通信。公网通信，就意味着可以通过已经铺设的移通信基站设备进行远距离传输。这一特点是蓝牙/Zigbee都不具备的。笔者认为，NB-IoT对蓝牙的冲击不会太大：首先是因为蓝牙应用的通信距离基本很短，比如耳机/无线键盘鼠标等，大概都是几米。其次，蓝牙芯片实在太便宜了，传闻裸片计价是以分为单位的；而且又有低功耗版本——BLE，在这些应用场景下，NB-IoT并没有优势。至于，Zigbee就没那么乐观了。Zigbee采用自组网技术，长距离的大网络需要介入点够多，覆盖够广，距离合适。这一要求，并非时时能满足。另外，在伟大的天朝，Zigbee已经多次被证明是ZF断网后的重要串联工具

未来，如果NB-IoT可以取代Zigbee的，那可能 赵家人 可以放很多心吧。Power & Cost，NB-IoT的一带一路？如果NB-IoT的指标性能远低于目前主流的终端收发机性能，那还有什么好研究的呢？把性能裁剪一下就可以出货了阿。确实，成熟的芯片方案很快就出现了，比如大菊花厂的 Boudica 120

其他产品，也有大高通的MDM9206等等。

可问题来了，

NB-IoT协议在设计之初，有两个初衷：

（一）成本在几美元的数量级

（二）电池供电下，就近10年的寿命。

而目前Boudica的方案，与其说是专用的NB-IoT芯片，不如说是一个低配版的手机收发芯片笔者目测结果是，无论是售价还是功耗都没法达到那两个 初衷。最能体现这一矛盾的功率放大器（PA）根据协议，为了能够远距离地和基站通信NB-IoT的输出功率到达到可怕的23dBm（23dBm折合199.5mW），而且载波频率与LTE/GSM相同那可不是随便一个功放做的到的。目前，手机中的TRx方案，主要是基于CMOS的基带普通射频芯片+基于GaAs/SOI的功放/收发隔离开关芯片或circulator 共同封装而成。而非硅工艺的集成电路是很难达到低成本的。如果采用CMOS功放，由于硅材料的菜逼特点，在20dBm数量级上，往往功放能效值特别低，仅30%左右。由此不难预估：仅PA和发射机的相关部分功耗就将超过450mW。可若是NB-IoT芯片有如此功耗，不要说10年寿命，10月也悬。试想搭载着500mW NB-IoT芯片的共享单车（当然，NB-IoT的使用时PA并不一直开着）当然，除了PA，还有NB-IoT系统中的处理器选型也决定了其芯片的价格和功耗。QualComm的首款NB-IoT产品MDM9206采用了arm Cortex A7处理器（相比之下，其他芯片方案多采用Cortex M系列处理器）感觉也是不省电、省钱的小主儿。Digital Polar TX，唯一选项？摩尔定律下半导体的发展趋势一直是用尽可能多的数字电路代替模拟/射频因为便宜。这个趋势也显现在射频功放上。传统功放都是模拟/射频电路，但随着基开关功放技术的完善新型的功率放大器多以数字控制为首要选择。在数字功放系统中，有一颗冉冉上升/如日中天的明星——Digital Polar Transimitter首先，我们来介绍一下Polar。高中的时候，我们都学过虚数（复数），表示复平面的方法有两种——直角坐标和极坐标。没错，所谓Polar就是极坐标表示的意思。这里表示的I/Q正交信号，其实就是复数。

上图是模拟射频收发机和数字收发机的比较右半部分是射频发射机与PA的部分。明显的，在传统的模拟射频收发系统中，I/Q是用类似直角坐标的方式合并的（混频器实现90度相移）然而，在数字发射器中，采用极坐标表示I/Q两路的两个变量是相位（延时）和 幅度。Polar TX的好处有哪些？首先是系统发射0信号时的功耗，理论上，可以完全为0。（把幅度转换电路关掉就好了）而在模拟发射器中，虽然输出为0，但实际上，I/Q两路输出了相位相反的两个信号。功耗还在那里。其次是其可数字化的程度。采用ADPLL和数控延时实现相位采用数控开关功放实现幅度导致了其具有的价格和设计时间上的优势。由此Digital Polar TX 完美符合了省电和省钱的要求。当然，Digital Polar TX也有致命的问题，比如在线性度上。IQ在直角坐标是线性相加，线性度妥妥的。然而Polar System的相位和幅度是通过乘法叠加的，本身就不是线性关系，如何保证复杂调制下的线性问题？但，在NB-IoT的应用环境里只用到QPSK的RF信号，或许这点线性度也不是个事儿？！那目前的Digital Polar TX技术可以直接应用到NB-IoT么？小编相信，可能还有两个麻烦。其一是能效，低线性度的DPA的能效能否提升到50%以上。另一关键是结合窄带NB-IoT仅有180kHz的信号带宽若融合ADPLL中的Delta Sigma（ΔΣ）技术迸发出新型高效的Digital PA系统将是降低NB-IoT成本的关键。