5G關(guān)鍵技術(shù)之毫米波

2016-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

第五代移動(dòng)通信系統(tǒng) (5th generation mobile networks,簡稱5G)離正式商用(2020年)越來越接近,這些日子華為、三星等各大廠商也紛紛發(fā)布了自己的解決方案,可謂“八仙過海,各顯神通”。說句實(shí)在話,無數(shù)RF工程師就指著5G這一波能一改當(dāng)前射頻業(yè)界的頹勢了。我們在近幾期的矽說會(huì)向大家介紹一些5G的基本知識以及和芯片設(shè)計(jì)關(guān)系比較大的技術(shù)。

5G的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是傳輸速率:按照通信行業(yè)的預(yù)期,5G應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)比4G快十倍以上的傳輸速率,即5G的傳輸速率可實(shí)現(xiàn)1Gb/s。這就意味著用5G傳輸一部1GB大小的高清電影僅僅需要10秒!從此以后手機(jī)不用連WiFi就能看在線高清視頻了(當(dāng)然前提是你有足夠的流量)。另外如此高的傳輸速度也會(huì)帶來一些其他的應(yīng)用,比如云端游戲(游戲在云端服務(wù)器執(zhí)行,直把執(zhí)行畫面?zhèn)骰厥謾C(jī),這樣手機(jī)配置不高也能玩大型游戲),虛擬現(xiàn)實(shí)(同理把運(yùn)算放到云端,手機(jī)端只負(fù)責(zé)輸出畫面)等等。

5G如何實(shí)現(xiàn)如此高的傳輸速率呢?

無線傳輸增加傳輸速率大體上有兩種方法,其一是增加頻譜利用率,其二是增加頻譜帶寬。在無線傳輸中,數(shù)據(jù)以碼元(symbol)的形式傳送。在碼元傳送速率(碼率)不變的情況下,信號占用的無線帶寬不變,而每個(gè)碼元傳送的信息數(shù)據(jù)量是由調(diào)制方式?jīng)Q定的。

調(diào)制方式是指如何用信號傳遞信息。在古代,人們用烽火臺(tái)傳遞信息,有情況的時(shí)候點(diǎn)燃烽火,每有情況的時(shí)候熄滅烽火。從現(xiàn)代通訊理論來說,就是我們調(diào)制了烽火。由于普通的烽火一共只有兩種狀態(tài)(點(diǎn)燃和熄滅),因此烽火臺(tái)一次只能傳遞1比特的信息(0=熄滅=沒有敵人,1=點(diǎn)燃=有敵人)。烽火臺(tái)能不能改善一下來一次傳遞更多信息呢?我們可以通過引入更多狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。例如,改進(jìn)的烽火臺(tái)里面我們可以控制烽火的火勢,將火勢分為熄滅、小火、中火和大火四種狀態(tài),這樣我們就可以一次傳遞兩比特的信息(00=熄滅=沒有敵人,01=小火=有敵人且離我們很遠(yuǎn),10=中火=有敵人且離我們不遠(yuǎn),11=大火=有敵人且已經(jīng)兵臨城下)。然而,天下沒有免費(fèi)的午餐,引入更多狀態(tài)的同時(shí)也會(huì)增加信息傳遞出錯(cuò)的可能。例如如果天氣不好的時(shí)候可能會(huì)把中火看成小火,這樣信息的傳遞就出錯(cuò)了。相對地,如果只有兩種狀態(tài)(熄滅和點(diǎn)燃),則出錯(cuò)的幾率比較小。

無線通訊中的調(diào)制也是這個(gè)道理,通過操縱無線電波的幅度和相位可以產(chǎn)生載波的不同狀態(tài)。當(dāng)調(diào)制方式由簡單變到復(fù)雜時(shí),載波狀態(tài)數(shù)量增加,一個(gè)碼元所代表的信息量(比特?cái)?shù))也增加。在最簡單的QPSK調(diào)制中,傳送任何一個(gè)碼元時(shí)載波的幅度不變,而相位可能是0,90,180或270度中的一個(gè)(所有碼元相對應(yīng)的載波幅度和相位畫在直角坐標(biāo)系里就是調(diào)制方式的星座圖)。因此,根據(jù)信息論,一個(gè)QPSK調(diào)制的碼元可以傳送2bit的數(shù)據(jù)。當(dāng)使用復(fù)雜的調(diào)制方式時(shí),每個(gè)碼元可能出現(xiàn)的位置變多,因此每個(gè)碼元所攜帶的信息也增多。相對于最左邊的基礎(chǔ)QPSK調(diào)制,使用QAM16和QAM64調(diào)制每個(gè)碼元所攜帶的信息分別是4 bit和6 bit,因此可以把頻譜利用率分別提高2倍和3倍 (QAM256的圖我就不放了,容易引發(fā)密集恐懼癥)。但另一方面每個(gè)碼元狀態(tài)之間的間距也變小,因此容易受到噪聲干擾使得碼元偏離原本應(yīng)該在的位置從而造成解碼出錯(cuò)。所以復(fù)雜調(diào)制對信道的要求比較高,在信道噪聲很大的情況下使用復(fù)雜調(diào)制會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率很高,而且解碼所需要的電路也會(huì)非常復(fù)雜,導(dǎo)致功耗很大。

由簡單的QPSK(左)到復(fù)雜的QAM64(右)調(diào)制的狀態(tài)圖

相對于提高頻譜利用率,增加頻譜帶寬的方法顯得更簡單直接。在頻譜利用率不變的情況下,可用帶寬翻倍則可以實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率也翻倍。但問題是,現(xiàn)在常用的5GHz以下的頻段已經(jīng)非常擁擠,到哪里去找新的頻譜資源呢?各大廠商不約而同想到的方法就是使用毫米波技術(shù)。

毫米波是什么,毫米波的特點(diǎn)

毫米波是指波長在毫米數(shù)量級的電磁波,其頻率大約在30GHz~300GHz之間。根據(jù)通信原理,無線通信的最大信號帶寬大約是載波頻率的5%左右,因此載波頻率越高,可實(shí)現(xiàn)的信號帶寬也越大。在毫米波頻段中,28GHz頻段和60GHz頻段是最有希望使用在5G的兩個(gè)頻段。28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達(dá)1GHz,而60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號帶寬則到了2GHz(整個(gè)9GHz的可用頻譜分成了四個(gè)信道)。相比而言,4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下,而可用頻譜帶寬只有100MHz。因此,如果使用毫米波頻段,頻譜帶寬輕輕松松就翻了10倍,傳輸速率也可得到巨大提升。換句話說,使用毫米波頻段我們可以輕輕松松用手機(jī)5G在線看藍(lán)光品質(zhì)的電影,只要你不怕流量用完!

各個(gè)頻段可用頻譜帶寬比較

毫米波頻段的另一個(gè)特性是在空氣中衰減較大,且繞射能力較弱。換句話說,用毫米波實(shí)現(xiàn)信號穿墻基本是不可能。但是,毫米波在空氣中傳輸衰減大也可以被我們所利用,所謂”It's not a bug,it's a feature!”:你手機(jī)使用的毫米波信號衰減確實(shí)比較大,但是同樣地其他終端發(fā)射出的毫米波信號(對你而言是干擾信號)的衰減也很大,所以毫米波系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候不用特別考慮如何處理干擾信號,只要不同的終端之間不要靠得太近就可以。選擇60GHz更是把這一點(diǎn)利用到了極致,因?yàn)?0GHz正好是氧氣的共振頻率,因此60GHz的電磁波信號在空氣中衰減非?？?從而可以完全避免不同終端之間的干擾。

當(dāng)然,毫米波在空氣中衰減非常大這一特點(diǎn)也注定了毫米波技術(shù)不太適合使用在室外手機(jī)終端和基站距離很遠(yuǎn)的場合。各大廠商對5G頻段使用的規(guī)劃是在戶外開闊地帶使用較傳統(tǒng)的6GHz以下頻段以保證信號覆蓋率,而在室內(nèi)則使用微型基站加上毫米波技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。

毫米波必須配合微型基站(或接入點(diǎn))使用

毫米波相比于傳統(tǒng)6GHz以下頻段還有一個(gè)特點(diǎn)就是天線的物理尺寸可以比較小。這是因?yàn)樘炀€的物理尺寸正比于波段的波長,而毫米波波段的波長遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)6GHz以下頻段,相應(yīng)的天線尺寸也比較小。因此我們可以方便地在移動(dòng)設(shè)備上配備毫米波的天線陣列,從而實(shí)現(xiàn)各種MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線,使信號通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收,從而改善通信質(zhì)量)技術(shù),包括波束成型(有關(guān)波束成型,我們會(huì)在下一篇文章里面詳細(xì)介紹)。

毫米波收發(fā)機(jī)芯片如何實(shí)現(xiàn)

NICT研發(fā)的毫米波收發(fā)機(jī)架構(gòu)圖

商用的毫米波收發(fā)機(jī)芯片會(huì)使用CMOS工藝,這一方面為了能夠和數(shù)字模塊集成,另一方面為了節(jié)省成本。毫米波收發(fā)機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)頻段收發(fā)機(jī)很相似,但是毫米波收發(fā)機(jī)有著獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

其一是如何控制功耗。毫米波收發(fā)機(jī)要求CMOS器件能工作在毫米波頻段,所以要求CMOS器件對信號的靈敏度很高。

我們可以參照日常生活中的水龍頭來說明這個(gè)問題。大家一定都經(jīng)常有開關(guān)水龍頭的經(jīng)驗(yàn),很多水龍頭在關(guān)著時(shí),需要擰很多下才會(huì)出來一點(diǎn)點(diǎn)水,然后隨著水流越來越大,只要多擰一點(diǎn)點(diǎn)水流就會(huì)變大很多。在這里,手?jǐn)Q龍頭的動(dòng)作就是激勵(lì)信號,而對應(yīng)的水流變化就是輸出響應(yīng)。CMOS器件本質(zhì)上和水龍頭很像,都是通過控制端(即CMOS的柵極)調(diào)整輸出流量(對水龍頭是水流,對CMOS則是輸出電流)。因此,如果需要CMOS器件對微弱的毫米波信號能快速響應(yīng),必須把它的直流電流調(diào)到很大(相當(dāng)于把水龍頭設(shè)置在水流很大的狀態(tài))。這樣一來,CMOS電路就需要很大的功耗才能處理毫米波信號。

說得專業(yè)一點(diǎn),CMOS器件的工作原理是柵端電壓控制源端到漏端的載流子,從而控制源漏端的電流。當(dāng)加在柵端的信號發(fā)生變化的時(shí)候,源漏端的電流也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,因此就起到了信號放大的作用。然而,如果源端的載流子還來不及走到漏端時(shí)柵端的信號就發(fā)生了改變,那么柵端的信號就無法得到有效放大。通常把CMOS器件能工作的最高頻率稱為截止頻率。那么如何提高截止頻率呢?在器件工藝不變的前提下,改進(jìn)截止頻率的方法就是增加載流子速度,讓它們能趕在柵端信號變化之前就到達(dá)漏端。這就意味著我們可以通過加強(qiáng)溝道電場,即提高柵-源電壓來改善截止頻率。然而,提高柵-漏電壓也意味著CMOS器件的直流電流也變大。由于毫米波頻段已經(jīng)和CMOS器件的截止頻率在同一個(gè)數(shù)量級上(~100 GHz),毫米波收發(fā)機(jī)芯片必須仔細(xì)設(shè)計(jì)才能把功耗控制在移動(dòng)設(shè)備可以接受的范圍內(nèi)。

MOSFET和水龍頭本質(zhì)上都是控制端操縱流量大小

另一個(gè)毫米波芯片必須考慮的問題是傳輸線效應(yīng)。

相信大家還記得高中物理里面的受力分析,(下圖左)分析一根靜止繩子的受力情況(靜力分析)是很簡單的,繩子的彈力即等于人對繩子的拉力,而且每一點(diǎn)都相同,這樣的問題在高中物理考試?yán)锩鎸儆谒头诸}。但如果不是靜止地拉繩子,而是用手揮動(dòng)繩子呢(下圖右)?這時(shí)在繩子上產(chǎn)生了一列機(jī)械波,每一點(diǎn)的受力情況都不相同,而且受力的變化不僅取決于手揮動(dòng)繩子手的施力還取決于繩子的材質(zhì)(決定了波長)。這時(shí)候分析受力就比較困難,屬于高中物理競賽級別的題目。

毫米波電路設(shè)計(jì)也會(huì)遇到類似的挑戰(zhàn)。我們可以把電路中的導(dǎo)線類比成繩子,而把電路中的信號源類比為對繩施力的人。當(dāng)信號變化的頻率很慢的時(shí)候,就近似地等于靜力分析,此時(shí)導(dǎo)線上每一點(diǎn)的信號都近似地等于信號源的信號。當(dāng)信號變化很快時(shí),由于信號的波長接近或小于導(dǎo)線的長度,我們必須仔細(xì)考慮導(dǎo)線上每一點(diǎn)的情況,而且導(dǎo)線的性質(zhì)(特征阻抗)會(huì)極大地影響信號的傳播。這種效應(yīng)在電磁學(xué)中被稱為“傳輸線效應(yīng)”,在設(shè)計(jì)毫米波芯片時(shí)必須仔細(xì)考慮傳輸線效應(yīng)才能確保芯片正常工作。傳輸線效應(yīng)引入了許多傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中不用考慮的問題。例如,傳輸線有自己的特征阻抗,如果電路的輸入阻抗和傳輸線的特征阻抗差別很大就會(huì)造成信號反射,使得信號無法有效地從一個(gè)模塊傳遞到另一個(gè)模塊。為了避免這種情況,必須在電路輸入端做阻抗匹配來消除信號反射。另外,為了分析傳輸線效應(yīng),電路仿真時(shí)連線必須使用傳輸線模型。一方面,連線的傳輸線模型提取很費(fèi)時(shí)間(一根簡單的連線使用電磁仿真工具HFSS提取s-參數(shù)傳輸線模型往往需要一天以上的時(shí)間),另一方面?zhèn)鬏斁€模型和晶體管電路聯(lián)合仿真也很耗時(shí)而且需要有經(jīng)驗(yàn)的人去調(diào)整仿真器參數(shù)才能保證結(jié)果正確。這就使得毫米波芯片的設(shè)計(jì)流程困難重重,需要大量的人力物力投入。

不過,盡管設(shè)計(jì)充滿挑戰(zhàn),毫米波芯片大規(guī)模商用化目前已現(xiàn)曙光。Broadcom已經(jīng)推出了60GHz的收發(fā)機(jī)芯片(BCM20138),該產(chǎn)品主要針對60GHz頻段的WiFi標(biāo)準(zhǔn)(802.11.ad),也可以看作是為5G毫米波芯片解決方案投石問路。Qualcomm也于兩年前不甘落后收購了專注于毫米波技術(shù)的Wilocity。同時(shí),三星,華為海思等重量級選手也在加緊研發(fā)毫米波芯片。相信在近期我們就會(huì)看到毫米波射頻芯片市場變得熱鬧非凡。

Wilocity推出的60GHz芯片

結(jié)語

毫米波技術(shù)可以通過提升頻譜帶寬來實(shí)現(xiàn)超高速無線數(shù)據(jù)傳播,從而成為5G通訊技術(shù)中的關(guān)鍵之一。毫米波芯片設(shè)計(jì)必須克服功耗和電磁設(shè)計(jì)兩大難關(guān),當(dāng)這兩個(gè)問題解決后大規(guī)模商用只是時(shí)間問題。

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