账号:
密码:
最新动态
产业快讯
CTIMES / 文章 /
60GHz CMOS单芯片收发机设计
台大系统芯片中心专栏(27)

【作者: 黃天偉】2009年07月07日 星期二

浏览人次:【9620】

台大参与60GHz Gigabit国际标准制定


台湾大学的Gigabit国际短距离通信标准制定,是开始于2005年四月参加日本的毫米波个人无线局域网络(Millimeter-Wave Wireless Personal Area Network;mmW WPAN)的标准制定会议,此毫米波通信标准会议将制定与IEEE 802.15.3 Task Group 3c(TG3c)兼容的通信标准。此日本通信标准会议的会长,也是当时IEEE 802.15.3 TG3c的副会长Dr. Ogawa,邀请台大的庄晴光教授组团参加,本团包括本人、王琦学博士、及工研院的同仁、庄晴光教授报告台大卓越延续计划60GHz毫米波发展的最新成果,以及台湾产业界对此毫米波个人无线局域网络所形成的产业联盟。本次会议亦邀请美国IBM的研究人员参与,报告IBM最新的60GHz SiGe SOC之发展成果。



IBM利用0.13μm SiGe制程来制作60GHz TRx,未来将朝向系统芯片(SOC)或系统封装(SiP)发展,将覆晶(Flip-Chip)的Vivaldi 天线直接连在系统芯片上,使所有毫米波信号都在系统构装(SiP)内处理完毕,封装对外不需设计毫米波信号接口。在IBM会议报告中,本人曾对IBM系统的频率规划提出问题与讨论,IBM是采用三倍频次谐波的升降频器(Sub-Harmonic Up/Down-converter),三倍的本地振荡器谐波(18×3=54GHz)与63GHz的射频混频成 9GHz的中频,根据台大毫米波系统的经验,此种频率规划的中频(~9GHz)与其本地振荡器谐波(~18GHz)相混频而成的新信号(~9GHz),将刚好落在中频成为中频的干扰信号,会影响接收机灵敏度;IBM当场回答他们也看见同样的问题,因此在设计混波器与其他匹配电路时要控制各谐波的大小以减少干扰。这是一个很好的教学范例,特别是关于超外差(Super Heterodyne)接收系统面对频率规划(Frequency Planning)的挑战,即使是IBM的系统也有出现自相干扰的情形出现。



另外,本团也参观了三个日本毫米波研发机构,包括负责规划日本通信研究的国家情报通信研究院(National Institute of Information and Communications Technology;NICT),和专责通信研究的横须贺研究园区(Yokosuka Research Park;YRP),以及制定日本通信标准的电波产业会(Association of Radio Industries and Business;ARIB),其中与情报通信研究院的通讯研究所所长Dr. Ogawa的私下交谈中了解到,过去日本研究机构关于评估研究人员的方法,是使用发表论文的数量与质量来决定将来的升迁,但是日本人意识到他们的科技没有办法推广到全球使用,因此日本的NICT将研究人员的评估标准由原先的研究论文导向,转变成以制定全球通讯标准的成果为依据,这对于日本的研究是一大突破,因为过去日本研究给人一种科技锁国的印象,似乎不能将日本的先进科技,如手机系统推广到全世界使用,好像日本国内有许多先进科技不易推广造福全人类,这也可以成为台湾科技发展的参考,我们的科技发展必须与国际接轨,不能闭门造车,在与其他国家的分享及科技交流中,不只提升科技,也可使台湾的科技成果推广到全世界成为真正广大的市场商机。



IEEE 802.15.3 Task Group 3c(TG3c)在2005三月成立。TG3c乃为已存在的802.15.3个人无线局域网络发展一种基于毫米波的物理层(physical layer)标准。这毫米波个人无线局域网络(mmW WPAN)将操作由FCC 47 CFR 15.255所定义的57~64GHz这个没有使用执照的频带(Un-license Band),如2.4GHz与5GHz的无线网络(WLAN)所使用的无使用执照频带。除了高速率数据、点对点传输外,由于位在较高的频带上和对于折射波的路径损耗大,而对在微波频带里的其他系统的没有干扰的问题。还因为可以使用高增益天线而获得更长的输送距离和更高的干扰免疫。可使用简单的调变、解调电路及简单的信号处理电路,降低功率消耗与缩小体积。目前毫米波个人无线局域网络规划的数据传输速度超过1Gbps。系统主要的应用在于如高速因特网、无线HDTV、家庭影院等等高速率数据传输。



基于参与日本毫米波个人无线局域网络标准制定会议的经验,我们体会到参与标准制定的重要性,因此自2005年11月台大开始参与IEEE 802.15标准制定,在11月的会议中台大提出参与标准提案的意愿(Call For Intent;CFI),在当时截止日期前共有26个公司或学术团体表达意愿参与标准提案,其中包括许多大公司包括Samsung、Intel、Philips、Motorola、NTT、Sanyo、Matsushita、Panasonic、Fujitsu、Oki、SiBeam、France Telecom、BenQ Mobile,也有许多学术研究机构例如NICT、IHP、ETRI、IMEC、Georgia Institute of Technology、National Taiwan University等。



但是这标准制定是一个漫长的过程,从开始提出标准制定授权(Project Authorization Request;PAR),到最后的通信委员会(RevCom)通过标准提案成为真正的国际标准,平均需要36个月的时间,在加上前后的准备工作,常常一个公司需要五年的投资才能有成果回收,但是通常都有十倍以上的投资报酬率。当然漫长的标准制定过程,有需多人事的变迁,如明基BenQ所购并的西门子手机部门BenQ Mobile也在开始时参与提案,但后来因部门关闭也就没有继续参与。同样也有经过许多技术的变化更新,例如,IBM国际商业机器公司原来是第一个利用IC整合实现60GHz的单芯片发射机与单芯片的接收机,但是国际商业机器公司使用该公司SiGe最先进的制程,经过一年以后,关于这个60GHz大量生产的IC制程在工业界已经由90nm的CMOS制程取代,台大发表了世界第一颗CMOS的单芯片收发机(如图一所示),将整个工业界的技术焦点从SiGe制程技术转向CMOS IC制程技术,这些技术的转变往往不是在标准制定开始就可以预期的,所以不是谁先开始起跑就可以先抵达终点,很可能是选对技术,而专心发展的厂商,即使不是一开始第一个起跑,但是因着他们正确的坚持,掌握技术发展趋势,可以在正确的时间点提出适合市场需要的技术,这实在是需要有眼光、有远见的人才能成功。



台大参与标准制定大事纪



  • (1) 2005年11月台大提出参与标准提案的意愿(Call For Intent;CFI)获得802.15.TG3c参与标准提案的权力;



  • (2) 2006年03月台大为台湾获得第一张IEEE 802.15的投票权,台大提出技术提案(802.15-06/0145r1),关于人体阻碍60 GHz无线电所造成衰减的研究成果,其中60GHz的衰减量在于天线电波宽度(Beamwidth),而最大衰减量的情况是使用15dBi Horn Antenna 造成18dB的损失;



  • (3) 2006年09月讨论住宅的非线视距离(Non-Line-of-Sight;NLOS)信道模型;



  • (4) 2006年11月台大提出Millimeter-wave CMOS RFIC(IEEE 802.15-06/0475r0),这是工业界第一次将CMOS技术应用在60GHz的电路开发,挑战IBM SiGe技术在IEEE标准会议中独占60GHz产品研发的地位;



  • (5) 2007年01月IEEE 802.15.TG3c 发出征求标准提案(Call For Proposal;CFP) 并在新加入的会员要求下再一次开放参与标准提案的意愿(Call For Intent;CFI)申请,允许新的个体提出他们参与标准提案的意图(在2007年3月1日前提出)。最后的标准提案应在2007年五月7日前提出;



  • (6) 2007年03月台大提出双模宽带无线的网络(DMBWN),与现行无线网络可兼容的系统概念「(Dual-Mode Broadband and Wireless Network;DMBWN):a backward compatible system concept」(IEEE 802.15-07/0645r0),这是第一次提出协调现行WLAN和高速60GHz WPAN一个革新的概念。另外,台大提出低成本的RF CMOS 60GHz收发机(The Low-Cost RF-CMOS 60GHz Transceiver)(IEEE 802.15-07/0644r0),这世界第一颗单芯片CMOS收发机芯片。



  • (7) 2007年05月台大提出标准的正式最后提案分成两部份:(第一部份)双模宽带无线的网络(DMBWN ),(IEEE 802.15-07/0692r0),是一个60GHz及5GHz双重模式的通讯系统。第二部份是台大和中山科学研究院(CSIST)为了WPAN共同提出「新的MC-CDMA结构的物理层提案(A new MC-CDMA structure for WPAN physical layer proposal)」(IEEE 802.15-07/0615r1),作为我们的正式提案。



  • (8) 2007年07月IEEE 802.15.TG3c进行第一次的标准提案投票,台大在七月的正式提案收到44张有效同意票,这次投票共有95张有效的选票[IEEE 802.15-07/795/r0 ],台大的得票率是46%,这在学术研究机构中是第一高票,在所有提案台大提案是第四高票。 因此,我们的提案将出现在未来60GHz IEEE 802.15.3c WPAN标准中,最后期待完成的时间是2009年。



  • (9) 2007年09月台大提案与世界最大的60GHz标准联盟(Consortium of millimeter-wave practical applications;COMPA)相结合[ IEEE802.15-07/0761/r10 ],COMPA标准联盟由日本NICT领导,在此联盟下TG3c将有两种技术模式:SC(Single Carrier,由COMPA主导)和OFDM(由tensorcom主导)。



  • (10) 2007年11月TG3c标准提案确认投票(Proposal Roll Call Confirmation Vote)最后标准提案是两个提案的结合(07/934r1+ 07/942r2)提案投票的结果:赞成87票(87%)(大于IEEE标准通过的最低门坎75%);反对13票(13%);弃权10票。总共投票数目:110票(被确认)。



  • (11) 2008年01月在台湾第一举行 IEEE 802.11/802.15的无线标准会议,于2008年一月18日,在台北仁爱路的福华饭店中举行,台湾IEEE台北分会与台大是这个会议的协办者,联发科技(MediaTek)是这个会议的台湾工业界协办者。



  • (12) 2008年05月台大开始参与IEEE 802.11的60GHz VHT60研究小组(Study Group),准备进行新一代的点对多点60GHz无线网络研发。





60GHz CMOS单芯片收发机[1]


《图一 60GHz CMOS单芯片收发机》


这是世界第一颗公开发表的单芯片直接升降频(Direct Conversion) CMOS收发机。这颗单芯片收发机的实测数据传输率是4Gbps,而其功率消耗只有97mW的。整个芯片的面积是1.65mm×1.5mm。所以这颗芯片是低成本、低耗电、与低复杂度,但是却提供宽广的频带。这收发机的IQ调变器(Modulator)是使用不需消耗功率的宽带反射式(Reflection-type)调变器,可提供优异的本地振荡器(Local Oscillator)信号抑制,但是其调变所需要的本地振荡器信号强度却是极低,适合使用CMOS芯片上(on-chip)的本地振荡器直接产生注入信号。



这收发机的IQ解调器(De-modulator)是使用不需功率消耗的Six-Port解调器,这是利用Six-Port Reflectometer的原理直接用很低功率的芯片上的本地振荡器信号与接受信号相作用产生解调信号。其输入输出都使用六级的Cascode放大器,达到高增益与低噪声的优良特性。芯片上压控振荡器(VCO)的功率输出是-12.1dBm其相位噪声是-92.2dBc/Hz at 1MHz offset,其直流功率消耗只有30mW。收发机在5Mb/s 16-QAM调变信号的传输实测下,量到的EVM值是小于4.2%。若是用40Mb/s BPSK调变信号的传输实测下,其EVM值可小于4%。



在这颗芯片发表后,许多研究机构都尝试使用CMOS制程来实现60GHz单芯片收发机,甚至有公司预备开发整合2.4GHz、5GHz及60GHz三频的CMOS单芯片无线网络,将来的无线网络将视距离信号的强弱自动切换无线网络的频率,以达到最高速率的传输及避免频道干扰的问题。



分布式0.8~77.5GHz宽带接收机[2]


《图二 0.8~77.5GHz宽带被动分布式降频接收机》


这颗拥有76GHz带宽的接收机,是使用标准的台积电0.13μm CMOS IC 制程制造。为了延伸工作带宽,分布式(Distributed)的电路架构被应用于降频器的设计中。为了优化CMOS降频器的转换增益(Conversion Gain)性能,本文提出偏压优化方法并成功地应用在降频器的设计中,后来的量测结果也验证此偏压优化的效果,这个降频接收机不需要消耗直流功率,即可测量到仅有5.5 dB的转化损失(Conversion Loss),而且从0.8GHz到77.5GHz都有+/-1dB的增益平坦度(Gain Flatness)。设计此分布式降频接收机,首先要考虑组件大小的选择。这个降频器的最高工作频率会随着组件尺寸大小的增加而减少,但是其转换增益却是随着组件尺寸的增加而增加,因此最高工作频率与最大转换增益就需要设计工程师提出折衷方案。再来,要考虑的RF电路匹配的设计,降低宽带的返回损耗(Return-loss)需要选取优化分散组件之间的电感值。整个芯片面积大小只有0.67mm×0.58mm,可降低IC的成本,其中在20GHz的P-1dB输出功率点是+8.5dBm,这个较高的P-1dB输出功率点是因使用被动式电路技术而达到的。在目前已知的降频接收机世界纪录中,这个电路有最宽的工作频带,可以将手机、WiFi、WiMAX、卫星通信、60GHz毫米波高速无线网络、与77GHz汽车雷达的信号经由同一块电路芯片来接收,可做为感知型无线电(Cognitive Radio)的前端接收电路。



《图五 DNLA 1.0/1.5版订立的装置角色及类别。》 - BigPic:938x420


在目前已知的降频接收机世界纪录中,这个电路有最宽的工作频带,可以将手机、WiFi、WiMAX、卫星通信、60GHz毫米波高速无线网络、与77GHz汽车雷达的信号经由同一块电路芯片来接收,可做为感知型无线电(Cognitive Radio)的前端接收电路。台大开发的60GHz CMOS电路技术,可与未来多频段(Multi-band)的新一代标准无线网络相结合,使得100mW低耗电的情况下可达成Gigabit的高速数字信号传输,这开启了工业界未来高速通信应用的新思维,Atheros研发长(CTO)Bill McFarland曾提出使用65nm CMOS制程实现三频无线网络(Tri-band WiFi)的构想,这正是呼应本篇文章的主题,未来CMOS的单芯片三频收发机可以包括2.



4GHz、5GHz及60GHz三频,而且依照信号信道的传输条件自动进行切换,选择最佳的信道进行最高速的数字信号传输。



参考数据:



  • ---作者为台大电机系教授---



  • [1] C-H. Wang, H-Y. Chang, P-S. Wu, K-Y. Lin, T-W. Huang, H. Wang, C-H. Chen, "A 60GHz Low-Power Six-Port Transceiver for Gigabit Software-Defined Transceiver Applications," IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC) Digest, Feb. 2007



相关文章
浅谈高密度闪存效能与可靠性提升之管理机制
提升软硬件共同设计虚拟平台价值的两大神兵利器
使用多相位补偿的除小数频率合成器
硅光子与光链接应用优势探讨
全喷墨软性电子元件制程之探讨
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新闻
» 意法半导体突破20奈米技术屏障 提升新一代微控制器成本竞争力
» Pure Storage携手NVIDIA加快企业AI导入 以满足日益成长的需求
» ROHM推SOT23封装小型节能DC-DC转换器IC 助电源小型化
» 意法半导体先进高性能无线微控制器 符合将推出的网路安全保护法规
» ST推先进超低功耗STM32微控制器 布局工业、医疗、智慧量表和消费电子市场


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2024 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3  v3.20.1.HK83TBXG4O2STACUKU
地址:台北数位产业园区(digiBlock Taipei) 103台北市大同区承德路三段287-2号A栋204室
电话 (02)2585-5526 #0 转接至总机 /  E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw