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毫米波芯片为极速移动宽带和无线光纤赋能
Thomas Chen, Donuwan Navaratne, Tom Huang, Habib Rastegar, Patrick Houghton and Andrew Chen, SwiftLink Technologies, Richmond, Canada
在过去几年里，各公司一直在开发技术，通过推进被称为"极速移动宽带"（EMB）的5G愿景来增强数据传输能力。在SwiftLink，这项工作已经持续了八年，其成果是芯片技术的进步和相控阵天线波束赋形器的开发。本文介绍了在EMB波束赋形器解决方案方面所做的努力。
这些EMB波束赋形器设计用于支持广泛的频段，涵盖低地球轨道(LEO)卫星通信和即将到来的5.5G/6G蜂窝网络中使用的所有频段。它们与各种设备兼容，并展示了提供高速数据传输的能力。有了这种宽带解决方案，"万物互联"（IoE）的概念更接近实现。如图1所示，通过非地面和地面网络的组合来连接万物是有好处的。EMB芯片标志着向实现物联网愿景和更加无处不在的全球连接迈出了关键一步。通过促进无缝无线连接并将光纤般的速度集成到无线基础设施中，用户即将迎来一个每台设备都能以前所未有的效率和可靠性进行连接的时代。一个完全无线的世界即将到来，在这个世界里，每一次互动和交易都可以不受物理限制地即时进行。
图1：连接低地轨道卫星和5.5G/6G设备的通用网络。
这些EMB芯片以毫米波频率工作，与非地面低地轨道通信网络和新兴的5.5G地面网络基础设施完全兼容。这一组合频率范围为24-44GHz，带宽为20GHz。EMB芯片解决方案设想在更多毫米波通信频段将覆盖范围和网络互联性扩展到6G和卫星通信。
毫米波解决方案
移动技术发展的每一步都是为了解决消费者的问题。问题是第一位的，技术专家通过创造创新的解决方案来解决这些问题。行业的职责是降低技术解决方案的成本，使更多消费者能够使用这些解决方案。巨大的传输容量和能力为消费者带来了前所未有的体验，而服务提供商正是希望将这些体验货币化。巨大的传输能力将带来通信技术的巨大变革，提供诸如Tbps峰值数据传输速率、Gbps用户体验数据传输速率、毫秒级延迟、厘米级定位精度和每平方公里数百万个连接等机会。
毫米波技术利用高频率实现通信革命。这些较高频段的通信可提供比4G网络高出数倍的数据传输速率。然而，要使通常工作频率低于6GHz的地面网络与可能工作在Ka频段的低地轨道网络实现互联，工作带宽必须超过20GHz。
毫米波技术的采用代表着电信行业的一次重大飞跃，它提供了一种强大的解决方案，可满足对高速、大容量通信网络的迅猛需求。随着用户过渡到5.5G时代，行业创新必须确保用户和网络具备良好的装备，以应对超级互联世界日益增长的数据需求。此外，值得注意的是，即将到来的6G无线通信网络正在寻求结合毫米波频率的优势，同时也在考虑部署、覆盖和容量问题之间的平衡。太赫兹技术和频率作为信息传输的未来，有望提供比毫米波更高的数据传输速率，为6G网络奠定技术基础。此外，毫米波/太赫兹频段有望通过无线链路提供类似光纤的带宽。SwiftLink的EMB单芯片解决方案可以接收相控阵天线馈送的毫米波信号，然后将这些信号向下转换为驱动中频调制解调器的中频频率。由于这些集成电路可以使用单个器件在24-44GHz的20GHz带宽范围内实现毫米波频率的下变频，因此系统供应商只需一个芯片和一个天线阵列即可满足5.5G/6G和卫星通信网络的通用部署要求。
图2显示了EMB波束赋形器的方框图，它配置了一个16阵元天线阵列。每个天线阵元连接一个发射/接收（Tx/Rx）通道。这些通道与两个无源功率分配器/合路器中的一个相连，然后是上/下变频（UDC）模块。在发射模式下，中频输入信号进入UDC，在这里信号被上转换为射频频率，以便在Tx/Rx信道中传输。Tx/Rx信道会放大从天线传输的射频信号，并对其进行相移。在接收模式下，天线收集射频信号，Tx/Rx级对信号进行放大和相移，以便在UDC中进行中频下变频。
图2：EMB波束赋形器方框图。
实现这些功能的EMB芯片采用Global Foundries的GF 45RFSOI工艺制造，这是一种45纳米RFSOI CMOS工艺。这种工艺提高了晶体管在毫米波频率下的性能，而且是一种成熟的工艺，具有较高的晶圆产量。这一点非常重要，因为Tx/Rx信道性能在很大程度上决定了波束赋形器的能力，而成本始终是一个值得关注的问题。图3显示了Tx/Rx信道框图。
图3：EMB波束赋形器芯片Tx/Rx信道框图。
如图3所示，相控阵天线阵元为输入Tx/Rx开关供电。在接收模式下，LNA放大天线接收到的毫米波信号。LNA驱动一个差分I/Q部分，为移相器提供信号。信号经移相器移相后，由可变增益放大器（VGA）放大。LNA和VGA的匹配由片上电路元件完成。VGA的输出匹配网络连接到输出Tx/Rx开关，该开关将接收到的信号导向处理电路。
在发射模式下，Tx/Rx开关将调制信号从处理电路传送到移相器。由于发射功率大大高于接收功率，移相器的输出将经过几级放大。在EMB波束赋形器芯片设计中，这一阵容包括一个为驱动放大器（DR）供电的VGA，最后是功率放大器（PA）。同样，所有放大器都使用片上电路元件进行匹配。功率放大器是最后的放大级，以确保天线阵元的发射信号达到所需的电平。对于接收和发射信号，移相器对阵列波束转向至关重要，因此是波束赋形器工作中的重要功能。图4a显示了以倒装芯片配置安装在105×100×5毫米连接评估板上的八通道EMB芯片，图4b显示了5.5×8×0.25毫米八通道芯片的X射线照片。
图4：(a)测试板上的8通道EMB芯片和(b)芯片的X射线照片。
虽然这种结构比较常见，但这一开发成果与同类解决方案的不同之处在于其在24-44GHz频率范围内的20GHz带宽。之所以能取得这样的结果，是因为我们非常谨慎地确保图3所示的Tx/Rx信道的每个功能块都能在相关频率下实现必要的20GHz工作带宽。表1显示了Tx/Rx信道的典型射频测量结果。
如表1所示，发射机输出P1dB在很宽的频率范围内大于+16dBm。除了输出功率水平外，新兴的无线调制方案还要求发射信道在保持足够的平均输出射频功率的同时，提供高保真、宽带调制的输出信号。图5显示了在以25GHz为中心的射频载波频率下，使用64-QAM OFDM调制方案传输400MHz带宽信号时，误差矢量幅度(EVM)和发射机输出功率的测量结果。图6显示了以42GHz为中心的64-QAM信号在同一组测试条件下的结果。
图5：25GHz频率下EMB Tx/Rx信道的EVM结果。
图6：42GHz EMB Tx/Rx信道的EVM结果。
运营商要使用毫米波和太赫兹频段的部分原因是为了增加带宽，这意味着更高的数据传输速率和容量。获得更大带宽的常用技术是将多个较小的信道聚合在一起。图7显示，EMB芯片将支持这种架构。图7中的结果显示了在以28GHz为中心的射频载波频率下，使用64-QAM OFDM调制方案和八分量载波聚合（8-CCA）传输100MHz带宽信号时的EVM和发射机输出功率结果。图8显示了以40GHz为中心的射频载波的相同测量数据。在接收器性能方面，图9显示了在不同功率水平下同时使用宽带调制64-QAM图像信号时的星座和频谱测量结果。
图7：EMB芯片在28GHz频率下的8-CCA测量结果。
图8：EMB芯片在40GHz频率下的8-CCA测量结果。
图9：EMB芯片的测量星座和频谱数据。
EMB接收器在一定功率和频率间隔范围内使用同时宽带调制的64/256-QAM图像信号进行测试。结果显示，解调后的预期信号EVM有所降低。这归因于信噪比降低和频谱重叠扩大。1-2尽管存在这些情况，但所需信号仍显示出清晰的星座，并成功解调了6/12Gbps 64-QAM信号，EVM结果分别为-32.56dB和-27.6dB。对于8Gbps 256-QAM信号，EVM为-33.47dB。这些测量结果表明，当仅考虑所需信号时，6/12Gbps 64-QAM和8Gbps 256-QAM信号的EVM值分别为-35.14dB、-30.48dB和-35.1dB，而这些测量结果均有所下降。1-2如图9所示，当仅将所需信号应用于接收器输入时，结果是18Gbps 64-QAM信号的EVM值为-26.65dB。
支持高数据传输速率的系统将使许多令人兴奋的应用受益于毫米波和太赫兹。例如，元宇宙和触觉互联网可以带来更加身临其境和强烈的用户体验，包括全息通信。用户将能够实时远程触摸和查看朋友，因为他们会以三维的形式出现在用户面前。太赫兹和毫米波功能的出现使这种颠覆性体验成为可能。
卫星通信与地面网络的整合
几十年来，卫星通信一直用于海上和飞行中的连接应用。新兴的低地轨道星座正在以更低的延迟、更低的发射功率和要求彻底改变连接机会。这些卫星通信系统正在成为全球通信的关键，因为其庞大的地理覆盖范围提供了突破地面网络限制的选择。卫星网络可作为天基中继站，在包括Ka频段和V频段在内的多个频段上传输各种数据类型。卫星通信系统架构包括空间段（带有转发器的卫星）、地面段（地面站）和用户段（带有卫星终端的终端用户）。目前正在开发高吞吐量卫星和低地轨道星座等先进技术，以满足对更高数据传输速率和更高可靠性的需求。与地面通信一样，卫星通信系统正在涉足更高频率的毫米波频段、先进的收发器和天线技术，以及更复杂的信号处理技术，以应对信道容量和速度方面的挑战。目前，这些服务需要单独的用户终端。虽然业界开始出现直接到卫星的移动连接，但这些连接的数据传输速率较低。像SwiftLink和其他公司正在开发的带有集成波束赋形器的毫米波频率接收器，可以使未来的移动电话直接与卫星连接。
5.5G与人工智能（AI）驱动管理的融合照亮了卫星通信的未来。这些新兴技术有望提高频谱利用率和系统性能。这将巩固卫星通信作为互联互通基础元素的作用，支持从应急响应到普及互联网接入的各种应用，并肯定其在通信技术领域的领导地位。
计算能力和信息容量将彻底改变未来
消费者的需求推动着数据流量的需求，并最终推动着无线技术的发展。首先是语音，然后是数据，然后是互联网，现在是视频。下一个推动数据流量和带宽需求的应用是人工智能。从实时语言翻译到实时图像分析，人工智能有望带来许多新的应用和功能。人工智能的大部分功能都需要在专门的人工智能数据中心使用英伟达（NVIDIA）等公司的人工智能芯片和专门的人工智能软件进行高性能计算。目前，人工智能所需的处理和计算能力超出了手机处理器的能力。为了向用户提供无缝、实时的人工智能功能，网络必须处理人工智能的数据和计算需求。这就需要光通信链路或毫米波和太赫兹技术带来的增强型无线网络的数据传输速度。
在数字时代，计算能力和信息传输能力是推动技术进步的基本力量。通过进入毫米波频段（带宽为20GHz），并在主力射频CMOS工艺上实现这一目标，第一版EMB芯片扩展了传统5G频段的功能，并启用了新的频段。这些活动在遵守国际电信联盟标准的同时，还通过将预期传输速度大幅提高到18Gbps来突破界限。性能的提升不仅增强了无线数据传输基础设施的能力，还对新兴的人工智能应用产生了影响。
人工智能处理依赖于海量数据，可以从这些传输能力的进步中获益。不断提高的数据传输能力可促进更强大、更无缝的数据流，从而有利于人工智能处理器的运行。这对于训练复杂的神经网络和大规模部署人工智能解决方案至关重要。改善无线通道以帮助承载人工智能系统的高数据流量，将实现对下一代人工智能应用至关重要的实时分析和决策过程。这些技术和能力将成为未来数字领域架构的基础。无线高速数据传输与先进计算能力的融合必将打开人工智能发展的新局面，推动世界走向充分发挥人工智能潜力的未来。
计算能力的飞跃是几项重要创新的结果：CMOS晶体管的扩展、CPU和GPU的协同发展、CPU的多核革命和异构计算以及GPU在通用计算方面的发展。多核技术和异构计算的进步使CPU在处理复杂任务时更加高效。GPU最初设计用于图形渲染，但由于其强大的并行处理能力，已成为通用计算的关键，在深度学习和科学计算中发挥着至关重要的作用。
在信息传输领域，CMOS晶体管的扩展也非常重要，使毫米波和太赫兹技术取得了突破性进展。扩展意味着更小的晶体管可以在毫米波频率下工作，从而实现相控阵天线的大功率传输。EMB芯片架构依赖于并行工作的Tx/Rx通道。由于每个Tx/Rx通道驱动一个单独的天线阵元，因此大型相控阵波束赋形器有许多并行路径，这类似于现代GPU处理器的并行处理。
结论
该行业是信息容量创新的先锋。为了实现这一创新，毫米波宽带技术正引领传输能力的不断进步。这些新兴宽带技术将为下一代通信标准（包括5.5G、6G和卫星通信）奠定坚实的技术基础。它们还将为地面和非地面网络的无缝整合铺平道路，从而形成未来的超级互联骨干网。计算能力和信息传输能力的同步革命是推动技术快速发展的双引擎。
当我们站在新数字时代的边缘时，这些行业所引领的进步必将重新定义我们的日常体验。更快的数据传输速率与人工智能的融合将催化世界与技术互动方式的转变。这种协同作用将开启数字化时代，带来无与伦比的便利和效率，彻底改变个人生活和职业环境。在这个技术复兴的世界里，数字解决方案的无缝和智能应用将提升我们生活的方方面面。
参考文献（略，见英文原文）
