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60GHz CMOS單晶片收發機設計
台大系統晶片中心專欄(27)

【作者: 黃天偉】   2009年07月07日 星期二

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台大參與60GHz Gigabit國際標準制定


台灣大學的Gigabit國際短距離通信標準制定,是開始於2005年四月參加日本的毫米波個人無線區域網路(Millimeter-Wave Wireless Personal Area Network;mmW WPAN)的標準制定會議,此毫米波通信標準會議將制定與IEEE 802.15.3 Task Group 3c(TG3c)相容的通信標準。此日本通信標準會議的會長,也是當時IEEE 802.15.3 TG3c的副會長Dr. Ogawa,邀請台大的莊晴光教授組團參加,本團包括本人、王琦學博士、及工研院的同仁、莊晴光教授報告台大卓越延續計劃60GHz毫米波發展的最新成果,以及台灣產業界對此毫米波個人無線區域網路所形成的產業聯盟。本次會議亦邀請美國IBM的研究人員參與,報告IBM最新的60GHz SiGe SOC之發展成果。



IBM利用0.13μm SiGe製程來製作60GHz TRx,未來將朝向系統晶片(SOC)或系統封裝(SiP)發展,將覆晶(Flip-Chip)的Vivaldi 天線直接連在系統晶片上,使所有毫米波信號都在系統構裝(SiP)內處理完畢,封裝對外不需設計毫米波信號介面。在IBM會議報告中,本人曾對IBM系統的頻率規劃提出問題與討論,IBM是採用三倍頻次諧波的昇降頻器(Sub-Harmonic Up/Down-converter),三倍的本地振盪器諧波(18×3=54GHz)與63GHz的射頻混頻成 9GHz的中頻,根據台大毫米波系統的經驗,此種頻率規劃的中頻(~9GHz)與其本地振盪器諧波(~18GHz)相混頻而成的新信號(~9GHz),將剛好落在中頻成為中頻的干擾信號,會影響接收機靈敏度;IBM當場回答他們也看見同樣的問題,因此在設計混波器與其他匹配電路時要控制各諧波的大小以減少干擾。這是一個很好的教學範例,特別是關於超外差(Super Heterodyne)接收系統面對頻率規劃(Frequency Planning)的挑戰,即使是IBM的系統也有出現自相干擾的情形出現。



另外,本團也參觀了三個日本毫米波研發機構,包括負責規劃日本通信研究的國家情報通信研究院(National Institute of Information and Communications Technology;NICT),和專責通信研究的橫須賀研究園區(Yokosuka Research Park;YRP),以及制定日本通信標準的電波產業會(Association of Radio Industries and Business;ARIB),其中與情報通信研究院的通訊研究所所長Dr. Ogawa的私下交談中瞭解到,過去日本研究機構關於評估研究人員的方法,是使用發表論文的數量與品質來決定將來的升遷,但是日本人意識到他們的科技沒有辦法推廣到全球使用,因此日本的NICT將研究人員的評估標準由原先的研究論文導向,轉變成以制定全球通訊標準的成果為依據,這對於日本的研究是一大突破,因為過去日本研究給人一種科技鎖國的印象,似乎不能將日本的先進科技,如手機系統推廣到全世界使用,好像日本國內有許多先進科技不易推廣造福全人類,這也可以成為台灣科技發展的參考,我們的科技發展必須與國際接軌,不能閉門造車,在與其他國家的分享及科技交流中,不只提升科技,也可使台灣的科技成果推廣到全世界成為真正廣大的市場商機。



IEEE 802.15.3 Task Group 3c(TG3c)在2005三月成立。TG3c乃為已存在的802.15.3個人無線區域網路發展一種基於毫米波的物理層(physical layer)標準。這毫米波個人無線區域網路(mmW WPAN)將操作由FCC 47 CFR 15.255所定義的57~64GHz這個沒有使用執照的頻帶(Un-license Band),如2.4GHz與5GHz的無線網路(WLAN)所使用的無使用執照頻帶。除了高速率數據、點對點傳輸外,由於位在較高的頻帶上和對於折射波的路徑損耗大,而對在微波頻帶裡的其他系統的沒有干擾的問題。還因為可以使用高增益天線而獲得更長的輸送距離和更高的干擾免疫。可使用簡單的調變、解調電路及簡單的信號處理電路,降低功率消耗與縮小體積。目前毫米波個人無線區域網路規劃的數據傳輸速度超過1Gbps。系統主要的應用在於如高速網際網路、無線HDTV、家庭影院等等高速率數據傳輸。



基於參與日本毫米波個人無線區域網路標準制定會議的經驗,我們體會到參與標準制定的重要性,因此自2005年11月台大開始參與IEEE 802.15標準制定,在11月的會議中台大提出參與標準提案的意願(Call For Intent;CFI),在當時截止日期前共有26個公司或學術團體表達意願參與標準提案,其中包括許多大公司包括Samsung、Intel、Philips、Motorola、NTT、Sanyo、Matsushita、Panasonic、Fujitsu、Oki、SiBeam、France Telecom、BenQ Mobile,也有許多學術研究機構例如NICT、IHP、ETRI、IMEC、Georgia Institute of Technology、National Taiwan University等。



但是這標準制定是一個漫長的過程,從開始提出標準制定授權(Project Authorization Request;PAR),到最後的通信委員會(RevCom)通過標準提案成為真正的國際標準,平均需要36個月的時間,在加上前後的準備工作,常常一個公司需要五年的投資才能有成果回收,但是通常都有十倍以上的投資報酬率。當然漫長的標準制定過程,有需多人事的變遷,如明基BenQ所購併的西門子手機部門BenQ Mobile也在開始時參與提案,但後來因部門關閉也就沒有繼續參與。同樣也有經過許多技術的變化更新,例如,IBM國際商業機器公司原來是第一個利用IC整合實現60GHz的單晶片發射機與單晶片的接收機,但是國際商業機器公司使用該公司SiGe最先進的製程,經過一年以後,關於這個60GHz大量生產的IC製程在工業界已經由90nm的CMOS製程取代,台大發表了世界第一顆CMOS的單晶片收發機(如圖一所示),將整個工業界的技術焦點從SiGe制程技術轉向CMOS IC制程技術,這些技術的轉變往往不是在標準制定開始就可以預期的,所以不是誰先開始起跑就可以先抵達終點,很可能是選對技術,而專心發展的廠商,即使不是一開始第一個起跑,但是因著他們正確的堅持,掌握技術發展趨勢,可以在正確的時間點提出適合市場需要的技術,這實在是需要有眼光、有遠見的人才能成功。



台大參與標準制定大事紀



  • (1) 2005年11月台大提出參與標準提案的意願(Call For Intent;CFI)獲得802.15.TG3c參與標準提案的權力;



  • (2) 2006年03月台大為台灣獲得第一張IEEE 802.15的投票權,台大提出技術提案(802.15-06/0145r1),關於人體阻礙60 GHz無線電所造成衰減的研究成果,其中60GHz的衰減量在於天線電波寬度(Beamwidth),而最大衰減量的情況是使用15dBi Horn Antenna 造成18dB的損失;



  • (3) 2006年09月討論住宅的非線視距離(Non-Line-of-Sight;NLOS)通道模型;



  • (4) 2006年11月台大提出Millimeter-wave CMOS RFIC(IEEE 802.15-06/0475r0),這是工業界第一次將CMOS技術應用在60GHz的電路開發,挑戰IBM SiGe技術在IEEE標準會議中獨佔60GHz產品研發的地位;



  • (5) 2007年01月IEEE 802.15.TG3c 發出徵求標準提案(Call For Proposal;CFP) 並在新加入的會員要求下再一次開放參與標準提案的意願(Call For Intent;CFI)申請,允許新的個體提出他們參與標準提案的意圖(在2007年3月1日前提出)。最後的標準提案應在2007年五月7日前提出;



  • (6) 2007年03月台大提出雙模寬頻無線的網路(DMBWN),與現行無線網路可相容的系統概念「(Dual-Mode Broadband and Wireless Network;DMBWN):a backward compatible system concept」(IEEE 802.15-07/0645r0),這是第一次提出協調現行WLAN和高速60GHz WPAN一個革新的概念。另外,台大提出低成本的RF CMOS 60GHz收發機(The Low-Cost RF-CMOS 60GHz Transceiver)(IEEE 802.15-07/0644r0),這世界第一顆單晶片CMOS收發機晶片。



  • (7) 2007年05月台大提出標準的正式最後提案分成兩部份:(第一部份)雙模寬頻無線的網路(DMBWN ),(IEEE 802.15-07/0692r0),是一個60GHz及5GHz雙重模式的通訊系統。第二部份是台大和中山科學研究院(CSIST)為了WPAN共同提出「新的MC-CDMA結構的實體層提案(A new MC-CDMA structure for WPAN physical layer proposal)」(IEEE 802.15-07/0615r1),作為我們的正式提案。



  • (8) 2007年07月IEEE 802.15.TG3c進行第一次的標準提案投票,台大在七月的正式提案收到44張有效同意票,這次投票共有95張有效的選票[IEEE 802.15-07/795/r0 ],台大的得票率是46%,這在學術研究機構中是第一高票,在所有提案台大提案是第四高票。 因此,我們的提案將出現在未來60GHz IEEE 802.15.3c WPAN標準中,最後期待完成的時間是2009年。



  • (9) 2007年09月台大提案與世界最大的60GHz標準聯盟(Consortium of millimeter-wave practical applications;COMPA)相結合[ IEEE802.15-07/0761/r10 ],COMPA標準聯盟由日本NICT領導,在此聯盟下TG3c將有兩種技術模式:SC(Single Carrier,由COMPA主導)和OFDM(由tensorcom主導)。



  • (10) 2007年11月TG3c標準提案確認投票(Proposal Roll Call Confirmation Vote)最後標準提案是兩個提案的結合(07/934r1+ 07/942r2)提案投票的結果:贊成87票(87%)(大於IEEE標準通過的最低門檻75%);反對13票(13%);棄權10票。總共投票數目:110票(被確認)。



  • (11) 2008年01月在台灣第一舉行 IEEE 802.11/802.15的無線標準會議,於2008年一月18日,在台北仁愛路的福華飯店中舉行,台灣IEEE台北分會與台大是這個會議的協辦者,聯發科技(MediaTek)是這個會議的台灣工業界協辦者。



  • (12) 2008年05月台大開始參與IEEE 802.11的60GHz VHT60研究小組(Study Group),準備進行新一代的點對多點60GHz無線網路研發。





60GHz CMOS單晶片收發機[1]


《圖一 60GHz CMOS單晶片收發機》


這是世界第一顆公開發表的單晶片直接昇降頻(Direct Conversion) CMOS收發機。這顆單晶片收發機的實測數據傳輸率是4Gbps,而其功率消耗只有97mW的。整個晶片的面積是1.65mm×1.5mm。所以這顆晶片是低成本、低耗電、與低複雜度,但是卻提供寬廣的頻帶。這收發機的IQ調變器(Modulator)是使用不需消耗功率的寬頻反射式(Reflection-type)調變器,可提供優異的本地振盪器(Local Oscillator)信號抑制,但是其調變所需要的本地振盪器信號強度卻是極低,適合使用CMOS晶片上(on-chip)的本地振盪器直接產生注入信號。



這收發機的IQ解調器(De-modulator)是使用不需功率消耗的Six-Port解調器,這是利用Six-Port Reflectometer的原理直接用很低功率的晶片上的本地振盪器信號與接受信號相作用產生解調信號。其輸入輸出都使用六級的Cascode放大器,達到高增益與低雜訊的優良特性。晶片上壓控振盪器(VCO)的功率輸出是-12.1dBm其相位雜訊是-92.2dBc/Hz at 1MHz offset,其直流功率消耗只有30mW。收發機在5Mb/s 16-QAM調變信號的傳輸實測下,量到的EVM值是小於4.2%。若是用40Mb/s BPSK調變信號的傳輸實測下,其EVM值可小於4%。



在這顆晶片發表後,許多研究機構都嘗試使用CMOS製程來實現60GHz單晶片收發機,甚至有公司預備開發整合2.4GHz、5GHz及60GHz三頻的CMOS單晶片無線網路,將來的無線網路將視距離信號的強弱自動切換無線網路的頻率,以達到最高速率的傳輸及避免頻道干擾的問題。



分散式0.8~77.5GHz寬頻接收機[2]


《圖二 0.8~77.5GHz寬頻被動分散式降頻接收機》


這顆擁有76GHz頻寬的接收機,是使用標準的台積電0.13μm CMOS IC 製程製造。為了延伸工作頻寬,分散式(Distributed)的電路架構被應用於降頻器的設計中。為了最佳化CMOS降頻器的轉換增益(Conversion Gain)性能,本文提出偏壓最佳化方法並成功地應用在降頻器的設計中,後來的量測結果也驗證此偏壓最佳化的效果,這個降頻接收機不需要消耗直流功率,即可測量到僅有5.5 dB的轉化損失(Conversion Loss),而且從0.8GHz到77.5GHz都有+/-1dB的增益平坦度(Gain Flatness)。設計此分散式降頻接收機,首先要考量元件大小的選擇。這個降頻器的最高工作頻率會隨著元件尺寸大小的增加而減少,但是其轉換增益卻是隨著元件尺寸的增加而增加,因此最高工作頻率與最大轉換增益就需要設計工程師提出折衷方案。再來,要考慮的RF電路匹配的設計,降低寬頻的返回損耗(Return-loss)需要選取最佳化分散元件之間的電感值。整個晶片面積大小只有0.67mm×0.58mm,可降低IC的成本,其中在20GHz的P-1dB輸出功率點是+8.5dBm,這個較高的P-1dB輸出功率點是因使用被動式電路技術而達到的。在目前已知的降頻接收機世界紀錄中,這個電路有最寬的工作頻帶,可以將手機、WiFi、WiMAX、衛星通信、60GHz毫米波高速無線網路、與77GHz汽車雷達的信號經由同一塊電路晶片來接收,可做為感知型無線電(Cognitive Radio)的前端接收電路。



結語


台大開發的60GHz CMOS電路技術,可與未來多頻段(Multi-band)的新一代標準無線網路相結合,使得100mW低耗電的情況下可達成Gigabit的高速數位信號傳輸,這開啟了工業界未來高速通信應用的新思維,Atheros研發長(CTO)Bill McFarland曾提出使用65nm CMOS製程實現三頻無線網路(Tri-band WiFi)的構想,這正是呼應本篇文章的主題,未來CMOS的單晶片三頻收發機可以包括2.4GHz、5GHz及60GHz三頻,而且依照信號通道的傳輸條件自動進行切換,選擇最佳的通道進行最高速的數位信號傳輸。



---作者為台大電機系教授---



參考資料:



  • [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



  • [2] Hong-Yuan Yang, Jeng-Han Tsai, Chi-Hsueh Wang, Chin-Shen Lin, Wei-Heng Lin, Kun-You Lin, Tian-Wei Huang, and Huei Wang, " Design and Analysis of a 0.8-77.5-GHz Ultra-Broadband Distributed Drain Mixer Using 0.13-μm CMOS Technology," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 57, No. 3, pp.562-572, Mar. 2009.



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