【導讀】本文對模擬
、數shu字zi和he混hun合he波bo束shu成cheng型xing架jia構gou的de能neng效xiao比bi進jin行xing了le比bi較jiao

，並bing針zhen對dui接jie收shou相xiang控kong陣zhen開kai發fa了le這zhe三san種zhong架jia構gou的de功gong耗hao的de詳xiang細xi方fang程cheng模mo型xing。該gai模mo型xing清qing楚chu說shuo明ming了le各ge種zhong器qi件jian對dui總zong功gong耗hao的de貢gong獻xian
，以yi及ji功gong耗hao如ru何he隨sui陣zhen列lie的de各ge種zhong參can數shu而er變bian化hua。對dui不bu同tong陣zhen列lie架jia構gou的de功gong耗hao/波束帶寬積的比較表明，對於具有大量元件的毫米波相控陣
，混合方法具有優勢。

相控陣在現代雷達和通信係統中發揮著越來越重要的作用，這使人們對提高係統性能和效率重新產生了興趣。數十年來，數字波束成型(DBF)及(ji)其(qi)與(yu)傳(chuan)統(tong)模(mo)擬(ni)方(fang)法(fa)相(xiang)比(bi)的(de)優(you)勢(shi)已(yi)廣(guang)為(wei)人(ren)知(zhi)
，但(dan)與(yu)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)相(xiang)關(guan)的(de)各(ge)種(zhong)挑(tiao)戰(zhan)阻(zu)礙(ai)了(le)它(ta)的(de)應(ying)用(yong)。隨(sui)著(zhe)特(te)征(zheng)尺(chi)寸(cun)的(de)不(bu)斷(duan)縮(suo)小(xiao)以(yi)及(ji)由(you)此(ci)帶(dai)來(lai)的(de)計(ji)算(suan)能(neng)力(li)的(de)指(zhi)數(shu)級(ji)增(zeng)長(chang)，我(wo)們(men)看(kan)到(dao)，現(xian)在(zai)大(da)家(jia)普(pu)遍(bian)有(you)興(xing)趣(qu)采(cai)用(yong)數(shu)字(zi)相(xiang)控(kong)陣(zhen)。雖(sui)然(ran)DBF具有許多吸引人的特性，但更高的功耗和成本仍然是一個問題。混合波束成型方法具有出色的能效比
，可能適合於許多應用。

模擬與數字波束成型

波(bo)束(shu)成(cheng)型(xing)的(de)核(he)心(xin)是(shi)延(yan)遲(chi)和(he)求(qiu)和(he)運(yun)算(suan)，它(ta)可(ke)以(yi)發(fa)生(sheng)在(zai)模(mo)擬(ni)域(yu)或(huo)數(shu)字(zi)域(yu)中(zhong)。根(gen)據(ju)延(yan)遲(chi)或(huo)相(xiang)移(yi)在(zai)信(xin)號(hao)鏈(lian)中(zhong)應(ying)用(yong)的(de)位(wei)置(zhi)，模(mo)擬(ni)波(bo)束(shu)成(cheng)型(xing)又(you)可(ke)以(yi)分(fen)為(wei)多(duo)個(ge)子(zi)類(lei)別(bie)。本(ben)文(wen)僅(jin)考(kao)慮(lv)射(she)頻(pin)波(bo)束(shu)成(cheng)型(xing)。如(ru)圖(tu)1a所(suo)示(shi)，來(lai)自(zi)天(tian)線(xian)元(yuan)件(jian)的(de)信(xin)號(hao)經(jing)過(guo)加(jia)權(quan)和(he)合(he)並(bing)，產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)波(bo)束(shu)

，然(ran)後(hou)由(you)混(hun)頻(pin)器(qi)和(he)信(xin)號(hao)鏈(lian)其(qi)餘(yu)部(bu)分(fen)加(jia)以(yi)處(chu)理(li)
，這(zhe)就(jiu)是(shi)相(xiang)控(kong)陣(zhen)的(de)傳(chuan)統(tong)實(shi)現(xian)方(fang)式(shi)。

圖1. (a) 模擬和 (b) 數字波束成型架構的比較。

這zhe種zhong架jia構gou的de缺que點dian之zhi一yi是shi難nan以yi創chuang建jian大da量liang同tong時shi波bo束shu。現xian在zai，為wei了le創chuang建jian多duo個ge波bo束shu，每mei個ge元yuan件jian的de信xin號hao需xu要yao先xian分fen離li，再zai獨du立li地di延yan遲chi和he求qiu和he。為wei此ci所suo需xu的de可ke變bian幅fu度du和he相xiang位wei(VAP)模塊的數量與元件數量和波束數量成正比。VAPmokuaiyijiwangluodefenluhehebingxuyaozhanyonghendademianji
，erqiechulejigeboshuzhiwai，wangluofenluhehebingzaochengdebuduanzengjiademianjiyaoqiuhefuzaxingshideshixianduogetongshimoniboshubiandebuqieshiji。duiyupingmianzhenlie，buduanzengjiademianjihaishidenanyijiangdianziqijiananzhuangzaiyuanjianjianjusuojuedingdewanggenei。ciwai，gengweigenbendeshi
，meicifenlushi

，xinzaobi(SNR)都會降低
，而且本底噪聲限製了信號可以分路的次數，超過此次數，信號就會淹沒在本底噪聲中。

而使用DBF的話，創建多個同時波束相對較容易。如圖1b所(suo)示(shi)，每(mei)個(ge)元(yuan)件(jian)的(de)信(xin)號(hao)都(dou)被(bei)獨(du)立(li)數(shu)字(zi)化(hua)，然(ran)後(hou)在(zai)數(shu)字(zi)域(yu)中(zhong)進(jin)行(xing)波(bo)束(shu)成(cheng)型(xing)操(cao)作(zuo)。一(yi)旦(dan)進(jin)入(ru)數(shu)字(zi)域(yu)，就(jiu)可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)損(sun)失(shi)保(bao)真(zhen)度(du)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)創(chuang)建(jian)信(xin)號(hao)的(de)副(fu)本(ben)，然(ran)後(hou)將(jiang)信(xin)號(hao)的(de)新(xin)副(fu)本(ben)延(yan)遲(chi)並(bing)求(qiu)和(he)以(yi)創(chuang)建(jian)新(xin)波(bo)束(shu)。這(zhe)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)重(zhong)複(fu)多(duo)次(ci)
，理(li)論(lun)上(shang)可(ke)產(chan)生(sheng)無(wu)限(xian)數(shu)量(liang)的(de)波(bo)束(shu)。實(shi)踐(jian)中(zhong)，數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)及(ji)相(xiang)關(guan)功(gong)耗(hao)和(he)成(cheng)本(ben)不(bu)是(shi)無(wu)限(xian)的(de)，這(zhe)會(hui)限(xian)製(zhi)波(bo)束(shu)數(shu)量(liang)或(huo)波(bo)束(shu)帶(dai)寬(kuan)積(ji)。此(ci)外(wai)，DBF中的波束數量可以隨時重新配置，這是模擬技術無法做到的。DBF還支持更好的校準和自適應歸零。所有這些優點使得DBF對通信和雷達係統中的各種相控陣應用非常有吸引力。但是，所有這些好處都是以增加成本和功耗為代價的。基帶DBF需要為每個元件配備一個ADC和he一yi個ge混hun頻pin器qi
，而er模mo擬ni波bo束shu成cheng型xing隻zhi需xu要yao為wei每mei個ge波bo束shu配pei備bei相xiang關guan器qi件jian。器qi件jian數shu量liang的de增zeng加jia會hui顯xian著zhu提ti高gao功gong耗hao和he成cheng本ben
，尤you其qi是shi對dui於yu大da型xing陣zhen列lie。此ci外wai，DBF中的波束成型發生在基帶，混頻器和ADC會受到每個元件的廣闊視場中存在的任何信號的影響，因此需要有足夠的動態範圍來處理可能的幹擾。對於模擬波束成型，混頻器和ADC享有空間濾波的好處，因此動態範圍要求可以放寬。在分配高頻LO信號的同時保持相位相幹性
，也是DBF實現方案的一個挑戰，而且會增加功耗。

數字波束成型的計算需求是總體功耗的一個重要貢獻因素。DSP須處理的數據量與元件數量、波束數量和信號的瞬時帶寬成正比。

對於在毫米波頻率運行的大型陣列
，信號帶寬通常很大
，數據負載可能高得像天文數字。例如，對於一個具有500 MHz帶寬和8位ADC的1024元件陣列，DSP需要處理每波束每秒大約8 Tb的數據。移動和處理如此大量的數據需要消耗相當多的電力。就計算負載而言，這相當於為每個波束每秒執行大約4×1012次乘法運算。對於全信號帶寬的多個波束，所需的計算能力超出了當今的DSP硬ying件jian的de能neng力li範fan圍wei。在zai典dian型xing實shi現xian中zhong
，波bo束shu帶dai寬kuan積ji保bao持chi不bu變bian，若ruo增zeng加jia波bo束shu數shu量liang，總zong帶dai寬kuan將jiang在zai各ge波bo束shu之zhi間jian分fen配pei。數shu字zi信xin號hao處chu理li通tong常chang以yi分fen布bu式shi方fang式shi進jin行xing
，以yi便bian能neng夠gou應ying對dui大da量liang數shu據ju。但dan這zhe通tong常chang需xu要yao權quan衡heng各ge種zhong因yin素su
，如ru波bo束shu成cheng型xing靈ling活huo性xing、功耗、延遲等。除了處理能力之外
，各種DSP模塊的高速輸入/輸出數據接口也會消耗大量電力。

混合波束成型

gumingsiyi，hunheboshuchengxingshimoniheshuziboshuchengxingjishudejiehe，zailiangzhezhijiantigongleyigezhongjiandidai。zuofazhiyishijiangzhenliehuafenweigengxiaodezizhenlie，bingzaizizhenlieneizhixingmoniboshuchengxing。ruguozizhenliezhongdeyuanjianshuliangxiangduijiaoshao

，zechanshengdeboshuxiangduijiaokuan

，rutu2所(suo)示(shi)。每(mei)個(ge)子(zi)陣(zhen)列(lie)可(ke)以(yi)被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)具(ju)有(you)某(mou)種(zhong)定(ding)向(xiang)輻(fu)射(she)圖(tu)的(de)超(chao)級(ji)元(yuan)件(jian)。然(ran)後(hou)使(shi)用(yong)來(lai)自(zi)子(zi)陣(zhen)列(lie)的(de)信(xin)號(hao)執(zhi)行(xing)數(shu)字(zi)波(bo)束(shu)成(cheng)型(xing)，產(chan)生(sheng)對(dui)應(ying)於(yu)陣(zhen)列(lie)全(quan)孔(kong)徑(jing)的(de)高(gao)增(zeng)益(yi)窄(zhai)波(bo)束(shu)。采(cai)用(yong)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)時(shi)，與(yu)全(quan)數(shu)字(zi)波(bo)束(shu)成(cheng)型(xing)相(xiang)比(bi)
，混(hun)頻(pin)器(qi)和(he)ADC的數量以及數據處理負載的大小減少的幅度等於子陣列的大小

，因此成本和功耗顯著節省。對於32×32元件陣列，若子陣列為2×2大小
，則將產生256個子陣列
，其半功率波束寬度(HPBW)為50.8°或0.61立體弧度。使用來自256個子陣列的信號，可以利用DBF在合乎實際的範圍內創建盡可能多的波束。對應於全孔徑的HPBW為3.2°或0.0024 sr。然後，在每個子陣列的波束內可以創建大約254個數字波束，它們相互之間不會明顯重疊。與全DBF相(xiang)比(bi)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)的(de)一(yi)個(ge)限(xian)製(zhi)是(shi)所(suo)有(you)數(shu)字(zi)波(bo)束(shu)都(dou)將(jiang)包(bao)含(han)在(zai)子(zi)陣(zhen)列(lie)方(fang)向(xiang)圖(tu)的(de)視(shi)場(chang)內(nei)。子(zi)陣(zhen)列(lie)模(mo)擬(ni)波(bo)束(shu)當(dang)然(ran)也(ye)可(ke)以(yi)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)，但(dan)在(zai)一(yi)個(ge)時(shi)間(jian)點(dian)，模(mo)擬(ni)波(bo)束(shu)寬(kuan)度(du)會(hui)限(xian)製(zhi)最(zui)終(zhong)波(bo)束(shu)的(de)指(zhi)向(xiang)。

圖2. 混合波束成型。

子(zi)陣(zhen)列(lie)方(fang)向(xiang)圖(tu)通(tong)常(chang)很(hen)寬(kuan)，這(zhe)對(dui)於(yu)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)來(lai)說(shuo)可(ke)能(neng)是(shi)一(yi)個(ge)可(ke)以(yi)接(jie)受(shou)的(de)折(zhe)衷(zhong)方(fang)案(an)。對(dui)於(yu)其(qi)他(ta)需(xu)要(yao)更(geng)大(da)靈(ling)活(huo)性(xing)的(de)應(ying)用(yong)而(er)言(yan)，可(ke)以(yi)創(chuang)建(jian)多(duo)個(ge)獨(du)立(li)的(de)模(mo)擬(ni)波(bo)束(shu)來(lai)解(jie)決(jue)此(ci)問(wen)題(ti)。這(zhe)將(jiang)需(xu)要(yao)在(zai)RF前端使用更多VAP模塊，但與全DBF相比，仍然可以減少ADC和混頻器的數量。如圖3所示，可以創建兩個模擬波束以實現更大的覆蓋範圍
，同時仍能將混頻器

、ADC和產生的數據流的數量減少兩倍。

圖3. 多個模擬波束的混合波束成型。

與DBFxiangbi
，hunheboshuchengxinghaihuidaozhipangbantuihua。dangyuanlimoniboshuzhongxinsaomiaoshuziboshushi，xiangweikongzhidehunhexinghuiyinruxiangweiwucha。zizhenlieneiyuanjianzhijiandexiangweibianhuayoumoniboshukongzhiqueding

，wulunshuzisaomiaojiaoduruhedoubaochiguding。duiyugeidingdesaomiaojiaodu，shuzikongzhizhinengjiangshidangdexiangweiyingyongyuzizhenliedezhongxin
；dangcongzhongxinxiangzizhenliebianyuanyidongshi，xiangweiwuchahuizengjia。zhedaozhizhenggezhenliechuxianzhouqixingxiangweiwucha，congerjiangdiboshuzengyibingchanshengzhunpangbanhezhaban。zhexieyingxiangsuizhesaomiaojiaodudezengdaerzengjia，yuchunmonihuoshuzijiagouxiangbi，zheshihunheboshuchengxingdeyigequedian。rangwuchabianchengfeizhouqixingkeyigaishanpangbanhezhabandetuihua
，zhekeyitongguohunhezizhenliedaxiao

、方向和位置來實現。

能效比

本節從接收相控陣的角度比較模擬、數字和混合波束成型的能效比。模擬
、數字和混合波束成型的功耗模型分別由公式2、3
、4給出。表1列出了各種符號的含義以及它們在後續分析中的假定值。

表1. 符號、含義
、假定值和相關參考文獻

關於功耗模型的一些關鍵點如下：

假設混頻器處的射頻信號功率對於所有三種波束成型架構都相同。

在一些公開文獻中

，有人認為對於DBF
，由於ADC的量化噪聲對SNR的影響有所降低（降幅等於陣列因子）
，因此與模擬波束成型相比，所需的位數可以減少。然而，在DBF中，ADC也(ye)需(xu)要(yao)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)的(de)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)不(bu)享(xiang)有(you)空(kong)間(jian)濾(lv)波(bo)的(de)好(hao)處(chu)
，而(er)且(qie)需(xu)要(yao)處(chu)理(li)各(ge)元(yuan)件(jian)輻(fu)射(she)圖(tu)的(de)視(shi)場(chang)中(zhong)存(cun)在(zai)的(de)所(suo)有(you)幹(gan)擾(rao)。考(kao)慮(lv)到(dao)這(zhe)一(yi)點(dian)，本(ben)模(mo)型(xing)假(jia)設(she)ADC的位數在所有情況中都相同。

對於DBF，波束帶寬積受DSP處理能力的限製
，這一點在變量DSPTP中考慮。對於混合情況

，最大處理能力隨著功耗的降低而成比例降低。

DBF的DSP功耗有兩個部分——計算和I/O。每次複數乘法需要四次實數乘法和累加(MAC)運算，基於 "Assessing Trends in Performance per Watt for Signal Processing Applications," （信號處理應用的每瓦性能趨勢評估）一文
，MAC運算的功耗計算結果為大約1.25 mW/GMAC。在這種情況下
，I/O消耗了大部分DSP功率，根據 "A 56-Gb/s PAM4 Wireline Transceiver Using a 32-Way Time-Interleaved SAR ADC in 16-nm FinFET." （16 nm FinFET中使用32路時間交錯SAR ADC的56 Gbps PAM4有線收發器）一文
，其估計值為10 mW/Gbps。對於需要更密集計算的更複雜波束成型方法，功耗比的偏斜會更小，但DSP總功耗會增加。此外，此模型中的I/O功耗假設基於最低數據傳輸。根據DBF架構
，I/O的功耗可能更高。

ADC和DSP計算的功耗與位數呈指數關係。因此，可以通過減少位數來大幅降低這些功耗數值。另一方麵，作為最大貢獻因素的DSP I/O功耗隨位數的變化不是那麼劇烈。

布線損耗(Lpath)通過合並矽IC和低損耗PCB上的GCPW傳輸線的損耗來計算。對於片內傳輸線，假設損耗為0.4 dB/mm，而對於PCB走線
，損耗取為0.025 dB/mm。另外，據估計

，5%的線路是在芯片上
，其餘是在PCB上。模擬波束成型考慮射頻合並相關的布線損耗，而數字波束成型考慮LO分配網絡的損耗。

對於混合模型
，假設每個波束對應於陣列的全孔徑。

功耗與波束數量的依賴關係如圖4所示。對於模擬情況
，改變波束數量需要更改設計
，而在DBF中
，波束數量可以隨時改變
，設計則保持不變。對於混合情況，考慮具有固定數量模擬波束(ns)的單一設計。另外假設，當波束數量小於ns時

，未使用路徑中的放大器關斷。

圖4. 模擬
、數字和混合（具有四個模擬波束）boshuchengxingjiagoudegonghaoyuboshushuliangdeguanxiduiyumoniqingkuang，chaoguosigeboshushiquxianxianshiweixuxian，biaoshishiyongmonijishunanyishixiangengduoboshu。duiyushuzihehunheqingkuang，yidandadaoDSP的容量，每個波束的功率和帶寬就變得恒定。

對於單個波束
，由於額外混頻器、LO放大器和ADC的開銷，數字實現方案會消耗更多功率。對於數字情況
，功耗增加的速率取決於聚合數據速率的增加情況；對於模擬情況，功耗增加的速率與補償分路和附加VAP模mo塊kuai造zao成cheng的de損sun耗hao所suo需xu的de功gong率lv有you關guan。由you於yu上shang述shu網wang絡luo分fen路lu和he合he並bing的de複fu雜za性xing，使shi用yong模mo擬ni波bo束shu成cheng型xing實shi現xian大da量liang波bo束shu是shi不bu切qie實shi際ji的de，超chao過guo四si個ge波bo束shu的de虛xu線xian反fan映ying了le這zhe一yi事shi實shi。對dui於yuDBF，一旦達到最大DSP容量，功耗便不再增加。超過這一點之後，若增加波束數量，則每個波束的帶寬會減少。在功耗方麵
，DBF與ABF不相上下
，有大量波束時功耗更少。與DBF相比
，混合方法顯著降低了功耗開銷和斜率
，並更快地達到盈虧平衡點。

圖5顯xian示shi了le每mei波bo束shu帶dai寬kuan積ji的de功gong耗hao


，並bing比bi較jiao了le三san種zhong波bo束shu成cheng型xing情qing況kuang的de能neng效xiao比bi。可ke以yi看kan出chu，模mo擬ni波bo束shu成cheng型xing始shi終zhong更geng有you效xiao率lv。混hun合he方fang法fa從cong兩liang個ge極ji端duan之zhi間jian的de某mou個ge位wei置zhi開kai始shi，隨sui著zhe波bo束shu數shu量liang增zeng加jia而er變bian得de與yu模mo擬ni情qing況kuang相xiang當dang。

圖5. 比較模擬、數字和混合波束成型架構的能效比。

結論

本文介紹的比較和功耗模型僅適用於接收(Rx)相控陣。對於發射情況，一些基本假設將會改變，全DBF架構的功耗增加可能不那麼嚴重。即使對於接收情況
，三種架構之間的差異在很大程度上也取決於公式2至4中所示的參數。對於表1中zhong未wei給gei出chu的de參can數shu值zhi，圖tu表biao之zhi間jian的de差cha異yi將jiang會hui變bian化hua。但dan可ke以yi肯ken定ding地di說shuo
，混hun合he方fang法fa可ke讓rang許xu多duo應ying用yong大da幅fu節jie省sheng功gong耗hao
，同tong時shi保bao留liu數shu字zi波bo束shu成cheng型xing的de大da部bu分fen優you勢shi。如ru前qian所suo述shu
，采cai用yong混hun合he路lu線xian有you缺que點dian，但dan對dui於yu許xu多duo應ying用yong而er言yan，這zhe些xie不bu足zu可ke以yi被bei節jie省sheng的de功gong耗hao所suo抵di消xiao。

參考電路

1. Chaojiang Li
、Omar El-Aassar、Arvind Kumar、Myra Boenke和Gabriel M. Rebeiz。“采用CMOS SOI工藝的LNA設計—l.4dB NF K/Ka頻段LNA。”IEEE/MTT-S國際微波研討會—IMS
，2018年6月。

2. Charley Wilson和Brian Floyd。“20–30 GHz混頻器—首款采用45-nm SOI CMOS技術的接收器。” IEEE射頻集成電路研討會(RFIC)，2016年5月。

3. Boris Murmann。“ADC 性能調查1997-2021。” ISSCC和VLSI 研討會。

4. Maarten Baert和Wim Dehaene。“基於VCO的20.1 A 5GS/s 7.2 ENOB時間交錯ADC可實現30.5fJ/轉換器步進。”IEEE 國際固態電路大會—(ISSCC)
，2019年2月。

5. Brian Degnan、Bo Marr和Jennifer Hasler。“評估信號處理應用的每瓦性能趨勢。” IEEE超大規模集成(VLSI)係統會刊
，第24卷第1期，2016年1月。

6. Yohan Frans
、Jaewook Shin、Lei Zhou、Parag Upadhyaya、Jay Im

、Vassili Kireev
、Mohamed Elzeftawi

、Hiva Hedayati、Toan Pham
、Santiago Asuncion
、Chris Borrelli、Geoff Zhang
、Hongtao Zhang和Ken Chang。“16-nm FinFET中使用32路時間交錯SAR ADC的56-Gb/s PAM4有線收發器。” IEEE固態電路雜誌，第52卷第4期，2017年4月。

7. Umut Kodak和Gabriel M. Rebeiz。“45nm CMOS SOI 中用於高效率高線性度5G係統的雙向倒裝芯片28 GHz相控陣內核芯片。” IEEE射頻集成電路研討會(RFIC)
，2017年6月。

8. John Coonrod。“毫米波電路的PCB設計和製造問題。” 高頻電子，Rogers Corp.
，2021年3月

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