5G關鍵技術之毫米波

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”。說句實在話,無數(shù)RF工程師就指著5G這一波能一改當前射頻業(yè)界的頹勢了。我們在近幾期的矽說會向大家介紹一些5G的基本知識以及和芯片設計關系比較大的技術。

5G的一個關鍵指標是傳輸速率:按照通信行業(yè)的預期,5G應當實現(xiàn)比4G快十倍以上的傳輸速率,即5G的傳輸速率可實現(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!從此以后手機不用連WiFi就能看在線高清視頻了(當然前提是你有足夠的流量)。另外如此高的傳輸速度也會帶來一些其他的應用,比如云端游戲(游戲在云端服務器執(zhí)行,直把執(zhí)行畫面?zhèn)骰厥謾C,這樣手機配置不高也能玩大型游戲),虛擬現(xiàn)實(同理把運算放到云端,手機端只負責輸出畫面)等等。

5G如何實現(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,而每個碼元傳送的信息數(shù)據(jù)量是由調制方式?jīng)Q定的。

調制方式是指如何用信號傳遞信息。在古代,人們用烽火臺傳遞信息,有情況的時候點燃烽火,每有情況的時候熄滅烽火。從現(xiàn)代通訊理論來說,就是我們調制了烽火。由于普通的烽火一共只有兩種狀態(tài)(點燃和熄滅),因此烽火臺一次只能傳遞1比特的信息(0=熄滅=沒有敵人,1=點燃=有敵人)。烽火臺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)來實現(xiàn)這一點。例如,改進的烽火臺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,10=中火=有敵人且離我們不遠,11=大火=有敵人且已經(jīng)兵臨城下)。然而,天下沒有免費的午餐,引入更多狀態(tài)的同時也會增加信息傳遞出錯的可能。例如如果天氣不好的時候可能會把中火看成小火,這樣信息的傳遞就出錯了。相對地,如果只有兩種狀態(tài)(熄滅和點燃),則出錯的幾率比較小。

無線通訊中的調制也是這個道理,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)。當調制方式由簡單變到復雜時,載波狀態(tài)數(shù)量增加,一個碼元所代表的信息量(比特數(shù))也增加。在最簡單的QPSK調制中,傳送任何一個碼元時載波的幅度不變,而相位可能是0,90,180或270度中的一個(所有碼元相對應的載波幅度和相位畫在直角坐標系里就是調制方式的星座圖)。因此,根據(jù)信息論,一個QPSK調制的碼元可以傳送2bit的數(shù)據(jù)。當使用復雜的調制方式時,每個碼元可能出現(xiàn)的位置變多,因此每個碼元所攜帶的信息也增多。相對于最左邊的基礎QPSK調制,使用QAM16和QAM64調制每個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該在的位置從而造成解碼出錯。所以復雜調制對信道的要求比較高,在信道噪聲很大的情況下使用復雜調制會導致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率很高,而且解碼所需要的電路也會非常復雜,導致功耗很大。

由簡單的QPSK(左)到復雜的QAM64(右)調制的狀態(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。

毫米波是什么,毫米波的特點

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的兩個頻段。28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達1GHz,而60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則到了2GHz(整個9GHz的可用頻譜分成了四個信道)。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5G在線看藍光品質的電影,只要你不怕流量用完!

各個頻段可用頻譜帶寬比較

毫米波頻段的另一個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!”:你手機使用的毫米波信號衰減確實比較大,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)在設計的時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更是把這一點利用到了極致,因為60GHz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。

當然,毫米波在空氣中衰減非常大這一特點也注定了毫米波技術不太適合使用在室外手機終端和基站距離很遠的場合。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,而在室內則使用微型基站加上毫米波技術實現(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)使用

毫米波相比于傳統(tǒng)6GHz以下頻段還有一個特點就是天線的物理尺寸可以比較小。這是因為天線的物理尺寸正比于波段的波長,而毫米波波段的波長遠小于傳統(tǒng)6GHz以下頻段,相應的天線尺寸也比較小。因此我們可以方便地在移動設備上配備毫米波的天線陣列,從而實現(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天線傳送和接收,從而改善通信質量)技術,包括波束成型(有關波束成型,我們會在下一篇文章里面詳細介紹)。

毫米波收發(fā)機芯片如何實現(xiàn)

NICT研發(fā)的毫米波收發(fā)機架構圖

商用的毫米波收發(fā)機芯片會使用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)機芯片的結構和傳統(tǒng)頻段收發(fā)機很相似,但是毫米波收發(fā)機有著獨特的設計挑戰(zhàn)。

其一是如何控制功耗。毫米波收發(fā)機要求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問題。大家一定都經(jīng)常有開關水龍頭的經(jīng)驗,很多水龍頭在關著時,需要擰很多下才會出來一點點水,然后隨著水流越來越大,只要多擰一點點水流就會變大很多。在這里,手擰龍頭的動作就是激勵信號,而對應的水流變化就是輸出響應。CMOS器件本質上和水龍頭很像,都是通過控制端(即CMOS的柵極)調整輸出流量(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,必須把它的直流電流調到很大(相當于把水龍頭設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,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。當加在柵端的信號發(fā)生變化的時候,源漏端的電流也會發(fā)生相應變化,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漏端。這就意味著我們可以通過加強溝道電場,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數(shù)量級上(~100 GHz),毫米波收發(fā)機芯片必須仔細設計才能把功耗控制在移動設備可以接受的范圍內。

MOSFET和水龍頭本質上都是控制端操縱流量大小

另一個毫米波芯片必須考慮的問題是傳輸線效應。

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,而且每一點都相同,這樣的問題在高中物理考試里面屬于送分題。但如果不是靜止地拉繩子,而是用手揮動繩子呢(下圖右)?這時在繩子上產(chǎn)生了一列機械波,每一點的受力情況都不相同,而且受力的變化不僅取決于手揮動繩子手的施力還取決于繩子的材質(決定了波長)。這時候分析受力就比較困難,屬于高中物理競賽級別的題目。

毫米波電路設計也會遇到類似的挑戰(zhàn)。我們可以把電路中的導線類比成繩子,而把電路中的信號源類比為對繩施力的人。當信號變化的頻率很慢的時候,就近似地等于靜力分析,此時導線上每一點的信號都近似地等于信號源的信號。當信號變化很快時,由于信號的波長接近或小于導線的長度,我們必須仔細考慮導線上每一點的情況,而且導線的性質(特征阻抗)會極大地影響信號的傳播。這種效應在電磁學中被稱為“傳輸線效應”,在設計毫米波芯片時必須仔細考慮傳輸線效應才能確保芯片正常工作。傳輸線效應引入了許多傳統(tǒng)電路設計中不用考慮的問題。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造成信號反射,使得信號無法有效地從一個模塊傳遞到另一個模塊。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,電路仿真時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時間(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)合仿真也很耗時而且需要有經(jīng)驗的人去調整仿真器參數(shù)才能保證結果正確。這就使得毫米波芯片的設計流程困難重重,需要大量的人力物力投入。

不過,盡管設計充滿挑戰(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)機芯片(BCM20138),該產(chǎn)品主要針對60GHz頻段的WiFi標準(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的Wilocity。同時,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看到毫米波射頻芯片市場變得熱鬧非凡。