高集成的60GHz無線收發(fā)芯片組的特點(diǎn)與應(yīng)用介紹

持續(xù)大容量數(shù)據(jù)需求年年顯著增加，在一個(gè)持續(xù)的競(jìng)賽中，技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)者已經(jīng)采用越來越寬的帶寬，首先是語(yǔ)音，然后是數(shù)據(jù)，最顯著的還有視頻都在驅(qū)動(dòng)這樣的需求。這個(gè)需求最明顯的是在移動(dòng)通信技術(shù)從AMPS到3G的升級(jí)，如今4G首次展示的容量是瞄準(zhǔn)百萬(wàn)的智能手機(jī)和手持設(shè)備及其豐富的應(yīng)用。同樣明顯的是家庭WiFi已經(jīng)從1到54Mbps成功過度，現(xiàn)在正在推進(jìn)數(shù)百兆的IEEE 802.11n和802.11ac.在技術(shù)開發(fā)中滿足數(shù)據(jù)容量的需求方面，首要考慮的是可用頻譜。例如OFDM,MIMO,更高階的調(diào)制和更小蜂窩的應(yīng)用，都是在一個(gè)給定的頻譜數(shù)量?jī)?nèi)有效的增加數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)容量的一種方式。

很多重要的開發(fā)開始用57-64GHz頻段，Hittite現(xiàn)在可以提供高集成的硅芯片方案。Hittite的HMC6000/6001芯片組不僅解決很多毫米波頻率關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)，而且可以提供數(shù)Gbps的60GHz通信turn-key連接方案

60GHz 應(yīng)用

寬帶和高的帶內(nèi)EIRP,加上長(zhǎng)距離的衰減特性，使得需要數(shù)Gbps數(shù)據(jù)容量的短距離應(yīng)用引人注目的60GHz方案。這些包括室外metrocell/picocell回程連接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線方案，和室內(nèi)數(shù)據(jù)連接應(yīng)用比如無線數(shù)Gbps電纜的替代，HDMI,USB3.0,Thunderbolt等，無線的docking stations塢站和視頻/雜志信息亭?？捎玫母鼘拵捯策m合于機(jī)器人需要的短距離高精度的無線傳感器方面的應(yīng)用。

幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)小組已經(jīng)合并了60GHz包括IEEE802.ad和805.15.3c標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，以及無線HD和WiGig聯(lián)盟。60GHz的許多優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。互聯(lián)元件在PCB上在這些頻率是頗為困難且需要昂貴的板材。低成本的方案只能用芯片/封裝好的毫米波互聯(lián)器件。Hittite,作為WiGig的贊助會(huì)員，用一個(gè)高集成的芯片，把標(biāo)準(zhǔn)的基帶信號(hào)直接轉(zhuǎn)換到60GHz解決了這個(gè)難題，縮小了高頻元器件及其互聯(lián)在PCB上所占的面積。

Hittite的HMC6000發(fā)射機(jī)（圖 1a）包括所有需要的功能來把一個(gè)模擬IQ基帶信號(hào)上變頻到60GHz頻段，僅需要一個(gè)低頻的外置參考時(shí)鐘。用的是SiGe BiCMOS工藝，它有模擬I和Q都是帶DC耦合來抵消DC offset和載波泄露的差分輸入。它包括一個(gè)從57GHz到64GHz ISM波段調(diào)整的低相噪頻綜，根據(jù)參考輸入頻率步進(jìn)可以設(shè)置在500MHz到540MHz之間（1/4 IEEE信道間隔）。HMC6000也提供最高38dB可調(diào)增益來得到17dBm的飽和輸出功率和線性最高12dBm的輸出功率，明顯的高于目前的CMOS能達(dá)到的最大功率。差分射頻輸出提供了一個(gè)低損耗且高輸出效率的射頻變換。

HMC6001接收芯片（圖1b）接收的60GHz毫米波信號(hào)并把它轉(zhuǎn)換到差分的模擬基帶IQ信號(hào)輸出，所有必需的頻率產(chǎn)生器，濾波器，增益控制都設(shè)計(jì)到芯片里面了，包括一個(gè)可編程的高通濾波器可以幫助濾除殘余的DC Offset和本振泄露。HMC6001在最大增益時(shí)噪聲系數(shù)為6dB.表1是收發(fā)芯片性能的總結(jié)。一個(gè)簡(jiǎn)單的四線數(shù)字控制接口可實(shí)現(xiàn)信道選擇，增益控制，電路偏置和濾波器帶寬設(shè)置。

60GHz對(duì)相噪是較大的挑戰(zhàn)，主要來自參考源和VCO相噪倍頻到這么高的頻率，為避免噪聲系數(shù)的惡化，集成的相噪典型值應(yīng)低于所需調(diào)制信號(hào)信噪比10dB.所幸60GHz使用的更快的符號(hào)速率，大家所擔(dān)心集成的相噪距離載波甚遠(yuǎn)，例如WiGig 1.76GHz的符號(hào)速率，1MHz offset的相噪有明顯的影響。對(duì)于WiGig符號(hào)速率HMC6000和HMC6001有大致-25dBc可以滿足最高16QAM的調(diào)制。

Hittite既提供可外接天線的方案，也提供內(nèi)置天線的方案，用這些芯片來幫助客戶把60GHz集成到他們的產(chǎn)品中。例如，Hittite HMC6000LP711E方案，參考圖2,整合了一個(gè)60GHz天線和毫米波發(fā)射芯片在一個(gè)低成本的7x11mm QFN塑封里面。這使得可以用廉價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)的PCB表貼和組裝工藝來完成產(chǎn)品，又并非一定需要極專業(yè)的毫米波經(jīng)驗(yàn)。HMC6001LP711E方案整合了毫米波接收機(jī)帶天線一起在一個(gè)封裝里面。

Hittite HMC6000/6001芯片組和封裝好的器件是理想的60GHz應(yīng)用及整合，包括室外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和室內(nèi)消費(fèi)類設(shè)備。圖3是一個(gè)典型的通過60GHz鏈接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波傳輸幾個(gè)Gbps以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流框圖。這些是全雙工的連接，雙工器常被用到必要的收發(fā)兩路的隔離，同時(shí)又共用一個(gè)高增益天線。早期60GHz點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)需要很多分離器件來構(gòu)造的無線部分非常昂貴，尺寸較大，功耗較高。Hittite的集成套片方案把無線部分用兩個(gè)芯片和一個(gè)晶振，以及互聯(lián)挑戰(zhàn)被降低到兩個(gè)近距離傳輸線到雙工器。

可用各種高速數(shù)字接口，包括GigE,USB,HDMI,甚至PCIe.為了滿足消費(fèi)類市場(chǎng)價(jià)格，MAC和PHY功能應(yīng)集成到一個(gè)ASIC,ADC和DAC工作在Gbps采樣率，至少兩倍于調(diào)制用的符號(hào)速率。為達(dá)到最小功耗和成本，這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器也應(yīng)作為基帶的一部分集成到ASIC中。由于WiGig用TDD復(fù)用，因此這類應(yīng)用不需要雙工器。點(diǎn)對(duì)地鏈接的高增益天線可以被小尺寸低增益天線取代，路徑距離受房間面積限制。

為最小化60GHz傳輸線到天線那段的損耗，集成天線是比較理想的做法。差分的基帶接口跟Hittite 提供的集成套片一起使得ASIC和優(yōu)化的天線位置分開成為可能。

收發(fā)信機(jī)評(píng)估套件

為更容易的評(píng)估Hittite 60GHz套片和簡(jiǎn)化客戶樣機(jī)的系統(tǒng)開發(fā)，Hittite提供評(píng)估集成天線和帶天線接口兩種配置。HMC6450是一個(gè)60GHz的AiP內(nèi)置天線的收發(fā)信機(jī)評(píng)估套件.HMC6450包括兩個(gè)板子，分別為HMC6000LP711E發(fā)射機(jī)和HMC6001LP711E接收機(jī)。跟配置軟件一起用統(tǒng)一的模擬IQ接口提供快速的雙向60GHz鏈接設(shè)置。HMC6541是一個(gè)60GHz MMPX收發(fā)信機(jī)評(píng)估套件，和 60GHz接口的Snap-on MMPX連接器（參考下圖）一起提供相同功能。

不需要許可證的60GHz頻譜提供一個(gè)絕佳的機(jī)會(huì)來滿足今天不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)容量需求。Hittite現(xiàn)在提供一個(gè)高度集成的HMC6000/6001全硅收發(fā)信套片瞄準(zhǔn)60GHz應(yīng)用，例如picocell回傳，短距離數(shù)Gbps數(shù)據(jù)速率室內(nèi)通信鏈接。60GHz套片提供所有的必要的功能來轉(zhuǎn)換IQ基帶模擬信號(hào)到60GHz ISM波段，僅需用一個(gè)外置低頻參考時(shí)鐘振蕩器。為易于使用，芯片還提供集成天線和外接天線兩種方案。HMC6000/6001LP711E集成天線方案整合了60GHz天線和收發(fā)信機(jī)到一個(gè)低成本塑料的QFN封裝里面。