自动化技术|世强电讯高集成的60GHz无线收发芯片组相关技术解析

水暖之家讯：持续大容量数据需求年年显著增加，在一个持续的竞赛中，技术和应用开发者已经采用越来越宽的带宽，首先是语音，然后是数据，最显著的还有视频都在驱动这样的需求。这个需求最明显的是在移动通信技术从AMPS 到 3G 的升级，如今 4G 首次展示的容量是瞄准百万的智能手机和手持设备及其丰富的应用。同样明显的是家庭 WiFi 已经从 1 到 54Mbps 成功过度，现在正在推进数百兆的 IEEE 802.11n 和802.11ac。

在技术开发中满足数据容量的需求方面，首要考虑的是可用频谱。例如 OFDM，MIMO，更高阶的调制和更小蜂窝的应用，都是在一个给定频谱数量内有效的增加数据速率和数据容量的一种方式。很多重要的开发开始用 57-64GHz 频段，Hittite 现在可以提供高集成的硅芯片方案。Hittite的 HMC6000/6001 芯片组不仅解决很多毫米波频率关键的技术挑战，而且可以提供数 Gbps的60GHz 通信 turn-key 连接方案60GHz 应用宽带和高的带内 EIRP，加上长距离的衰减特性，使得需要数 Gbps 数据容量的短距离应用引人注目的 60GHz 方案。这些包括室外 metrocell/picocell 回程连接的点对点无线方案，和室内数据连接应用比如无线数 Gbps 电缆的替代，HDMI，USB3.0，Thunderbolt 等，无线的 dockingstations 坞站和视频/杂志信息亭。可用的更宽带宽也适合于机器人需要的短距离高精度的无线传感器方面的应用。


几个标准和工业小组已经合并了 60GHz 包括IEEE802.ad和805.15.3c 标准的应用，以及无线 HD 和 WiGig联盟。60GHz 的许多优势和挑战。互联元件在PCB 上在这些频率是颇为困难且需要昂贵的板材。低成本的方案只能用芯片/封装好的毫米波互联器件。Hittite，作为 WiGig 的赞助会员，用一个高集成的芯片，把标准的基带信号直接转换到60GHz 解决了这个难题，缩小了高频元器件及其互联在 PCB 上所占的面积。Hittite 的 HMC6000 发射机(图 1a)包括所有需要的功能来把一个模拟 IQ 基带信号上变频到60GHz 频段，仅需要一个低频的外置参考时钟。用的是SiGe BiCMOS 工艺，它有模拟I 和Q 都是带 DC 耦合来抵消 DC offset 和载波泄露的差分输入。它包括一个从 57GHz 到 64GHz ISM波段调整的低相噪频综，

根据参考输入频率步进可以设置在 500MHz 和540MHz 之间(1/4 IEEE信道间隔)。HMC6000 也提供最高 38dB 可调增益来得到 17dBm 的饱和输出功率和线性最高12dBm 的输出功率，明显的高于目前的 CMOS 能达到的最大功率。差分射频输出提供了一个低损耗且高输出效率的射频变换.HMC6001 接收芯片(图 1b)接收的 60GHz 毫米波信号并把它转换到差分的模拟基带 IQ 信号输出，所有必需的频率产生器，滤波器，增益控制都设计到芯片里面了，包括一个可编程的高通滤波器可以帮助滤除残余的 DC Offset 和本振泄露。HMC6001 在最大增益时噪声系数为6dB。

一个简单的四线数字控制接口可实现信道选择，增益控制，电路偏置和滤波器带宽设置.60GHz 对相噪是较大的挑战，主要来自参考源和 VCO 相噪倍频到这么高的频率，为避免噪声系数的恶化，集成的相噪典型值应低于所需调制信号信噪比 10dB。所幸 60GHz 使用的更快的符号速率，大家所担心集成的相噪距离载波甚远，如WiGig 1.76GHz 的符号速率，例1MHzoffset 的相噪有明显的影响。对于 WiGig 符号速率 HMC6000 和HMC6001 有大致-25dBc 可以满足最高 16QAM 的调制。Hittite 既提供可外接天线的方案，也提供内置天线的方案，用这些芯片来帮助客户把 60GHz集成到他们的产品中。例如，Hittite HMC6000LP711E 方案，参考图 2，整合了一个 60GHz天线和毫米波发射芯片在一个低成本的 7x11mm QFN 塑封里面。这使得可以用廉价的标准的 PCB 表贴和组装工艺来完成产品，又并非一定需要极专业的毫米波经验。HMC6001LP711E方案整合了毫米波接收机带天线一起在一个封装里面。

Hittite HMC6000/6001 芯片组和封装好的器件是理想的 60GHz 应用及整合，包括室外点对点连接和室内消费类设备。图 3 是一个典型的通过 60GHz 链接点对点微波传输几个 Gbps 以太网数据流框图。这些是全双工的连接，双工器常被用到必要的收发两路的隔离，同时又共用一个高增益天线。早期 60GHz 点对点系统需要很多分离器件来构造的无线部分非常昂贵，尺寸较大，功耗较高。Hittite 的集成套片方案把无线部分用两个芯片和一个晶振，以及互联挑战被降低到两个近距离传输线到双工器。

图 4 是面对符合 WiGig 标准的消费类 Gbps 应用的框图。

可用各种高速数字接口，包括 GigE，USB，HDMI，甚至 PCIe。为了满足消费类市场价格，MAC 和 PHY 功能应集成到一个 ASIC，ADC 和 DAC 工作在 Gbps 采样率，至少两倍于调制用的符号速率。为达到最小功耗和成本，这些数据转换器也应作为基带的一部分集成到 ASIC 中。由于 WiGig 用 TDD 复用，因此这类应用不需要双工器。点对地链接的高增益天线可以被小尺寸低增益天线取代，路径距离受房间面积限制。

为最小化 60GHz 传输线到天线那段的损耗，集成天线是比较理想的做法。差分的基带接口跟 Hittite 提供的集成套片一起使得 ASIC 和优化的天线位置分开成为可能。收发信机评估套件为更容易的评估 Hittite 60GHz 套片和简化客户样机的系统开发，Hittite 提供评估集成天线和带天线接口两种配置。HMC6450 是一个60GHz 的 AiP 内置天线的收发信机评估套件.

参考图 5。HMC6450 包括两个板子，分别为 HMC6000LP711E 发射机和 HMC6001LP711E 接收机。跟配置软件一起用统一的模拟 IQ 接口提供快速的双向 60GHz 链接设置。HMC6541 是一个60GHz MMPX 收发信机评估套件，和 60GHz 接口的 Snap-on MMPX 连接器(参考下图)一起提供相同功能。

不需要许可证的 60GHz 频谱提供一个绝佳的机会来满足今天不断增长的数据容量需求。Hittite 现在提供一个高度集成的 HMC6000/6001 全硅收发信套片瞄准 60GHz 应用，例如picocell 回传，短距离数 Gbps 数据速率室内通信链接。60GHz 套片提供所有的必要的功能来转换 IQ 基带模拟信号到 60GHz ISM 波段，仅需用一个外置低频参考时钟振荡器。为易于使用，芯片还提供集成天线和外接天线两种方案。HMC6000/6001LP711E 集成天线方案整合了60GHz 天线和收发信机到一个低成本塑料的 QFN 封装里面。

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