傳輸超過100GHz的無線收發(fā)器能超越5G？

有個研究小組成員研發(fā)了一種無線收發(fā)器晶片，能夠傳輸超過100GHz的訊號，而且比現(xiàn)有系統(tǒng)能耗低，其成本也低。該收發(fā)器的傳輸頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于任何與5G蜂巢通訊有關(guān)的頻率，所以研究人員將該元件描述為“超越5G”。

他們終極目標(biāo)不僅是超越5G，而是創(chuàng)造一條技術(shù)途徑，使無線系統(tǒng)能夠與光纖相抗衡。

來自加州大學(xué)爾灣分校(UCI)奈米通訊積體電路(NCIC)實驗室團隊打造了一顆4.4mm2的晶片，該晶片比目前任何可用的晶片處理數(shù)位訊號的速度明顯快很多，而且更節(jié)能。這是利用一種獨特的數(shù)位-類比架構(gòu)實現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)透過調(diào)變類比和射頻(RF)域中的數(shù)位位元來顯著降低數(shù)位處理的需求。研究人員稱，他們已經(jīng)利用這種方法克服了摩爾定律的局限性。

他們采用55奈米的SiGe BiCMOS制程制造了單通道115~135GHz接收器原型。經(jīng)測量，該元件在30cm的傳輸距離下，無線資料傳輸速率為36Gbps。在接收端，8PSK訊號片上解調(diào)的誤碼率(BER)為1e-6。在此誤碼率下測量的接收器靈敏度為-41.28dBm。包括襯墊和測試線路(2.5mm2的有效區(qū)域)在內(nèi)，該原型占了2.5×3.5mm2的裸片面積。它所消耗的直流總功率為200.25mW，最大變頻增益為32dB，最小雜訊系數(shù)是10.3dB。

20191112NT31P1采用55奈米SiGe BiCMOS制程制造的NCIC的單通道115~135GHz接收器原型，經(jīng)測量，該元件在30cm的傳輸距離下，其無線資料傳輸速率為36Gbps。(圖片來源：UCI)

他們的創(chuàng)新在最近發(fā)表于《IEEE Journal of Solid State Circuits》上的一篇名為《115~135GHz 8PSK接收機采用基于多相位RF相關(guān)的直接解調(diào)方法(A 115-135-GHz 8PSK Receiver Using Multi-Phase RF-Correlation-Based Direct-Demodulation Method)》的論文里有概述。其中介紹了接收機的原理、設(shè)計和實現(xiàn)。RF-to-bits接收架構(gòu)的輸出是解調(diào)位元，因此無需高功耗、高解析度資料轉(zhuǎn)換器。

資深作者Payam Heydari，亦為NCIC實驗室主任、UCI電子工程和電腦科學(xué)教授指出，長期以來，學(xué)術(shù)研究人員和通訊電路工程師一直想搞清楚無線系統(tǒng)是否能夠達(dá)到光纖網(wǎng)路的高性能和速度?！叭绻@種可能性能變成現(xiàn)實，將會改變電信產(chǎn)業(yè)，因為與有線系統(tǒng)相比，無線基礎(chǔ)設(shè)施帶來了許多優(yōu)勢?！?/p>

Heydari表示，他們團隊的無線電收發(fā)器晶片(他們已將其稱為“超越5G”)，超越了5G的無線標(biāo)準(zhǔn)，并將其帶入了6G標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域，該標(biāo)準(zhǔn)可望在100GHz及以上工作。研究小組稱，隨著美國聯(lián)邦通訊委員會(Federal Communications Commission；FCC)最近開放了100GHz以上的新頻段，他們的新收發(fā)器是首個在該頻段提供端到端功能的收發(fā)器。

克服摩爾定律局限性

據(jù)Heydari稱，透過在收發(fā)器中調(diào)變和解調(diào)來改變訊號的頻率，傳統(tǒng)意義上是利用數(shù)位處理實現(xiàn)。但是近幾年，IC工程師已經(jīng)開始注意到該方法的物理局限性。

“根據(jù)摩爾定律，我們應(yīng)該能夠透過減小電晶體(就像在發(fā)射器和接收器中看到的那樣)的尺寸來提高其速度，但現(xiàn)在情況已經(jīng)不同了。”Heydari說道，“你不可能把電子分成兩半，所以我們已經(jīng)接近由半導(dǎo)體元件物理特性所決定的極限?！睘榱藨?yīng)對這個問題，NCIC實驗室開發(fā)了在類比域和RF域調(diào)變數(shù)位位元的技術(shù)，這使得晶片布局的成本更低，能耗也更低。

該團隊表示，該技術(shù)與相控陣列系統(tǒng)相結(jié)合，利用多個天線來控制光束，有助于在無線資料傳輸和通訊方面實現(xiàn)一些顛覆性應(yīng)用。這也會讓資料中心不必再鋪設(shè)數(shù)英哩長的光纖電纜，所以資料中心營運商可以實現(xiàn)超高速無線傳輸，并在硬體、冷卻和能源方面節(jié)省大量資金。

另外，TowerJazz和STMicroelectronics為本研究專案提供了半導(dǎo)體制造服務(wù)。