高集成的60GHz無線收發(fā)芯片組設(shè)計

持續(xù)大容量數(shù)據(jù)需求年年顯著增加，在一個持續(xù)的競賽中，技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)者已經(jīng)采用越來越寬的帶寬，首先是語音，然后是數(shù)據(jù)，最顯著的還有視頻都在驅(qū)動這樣的需求。這個需求最明顯的是在移動通信技術(shù)從AMPS到3G的升級，如今4G首次展示的容量是瞄準百萬的智能手機和手持設(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，都是在一個給定的頻譜數(shù)量內(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回程連接的點對點無線方案，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。

幾個標準和工業(yè)小組已經(jīng)合并了60GHz包括IEEE802.ad和805.15.3c標準的應(yīng)用，以及無線HD和WiGig聯(lián)盟。60GHz的許多優(yōu)勢和挑戰(zhàn)?；ヂ?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的贊助會員，用一個高集成的芯片，把標準的基帶信號直接轉(zhuǎn)換到60GHz解決了這個難題，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（圖 1a）包括所有需要的功能來把一個模擬IQ基帶信號上變頻到60GHz頻段，僅需要一個低頻的外置參考時鐘。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能達到的最大功率。差分射頻輸出提供了一個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毫米波信號并把它轉(zhuǎn)換到差分的模擬基帶IQ信號輸出，所有必需的頻率產(chǎn)生器，濾波器，增益控制都設(shè)計到芯片里面了，包括一個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在最大增益時噪聲系數(shù)為6dB.表1是收發(fā)芯片性能的總結(jié)。一個簡單的四線數(shù)字控制接口可實現(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)制信號信噪比10dB.所幸60GHz使用的更快的符號速率，大家所擔心集成的相噪距離載波甚遠，例如WiGig 1.76GHz的符號速率，1MHz offset的相噪有明顯的影響。對于WiGig符號速率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60GHz天線和毫米波發(fā)射芯片在一個低成本的7x11mm QFN塑封里面。這使得可以用廉價的標準的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。HMC6001LP711E方案整合了毫米波接收機帶天線一起在一個封裝里面。

Hittite HMC6000/6001芯片組和封裝好的器件是理想的60GHz應(yīng)用及整合，包括室外點對點連接和室內(nèi)消費類設(shè)備。圖3是一個典型的通過60GHz鏈接點對點微波傳輸幾個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，同時又共用一個高增益天線。早期60GHz點對點系統(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芯片和一個晶振，以及互聯(lián)挑戰(zhàn)被降低到兩個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.為了滿足消費類市場價格，MAC和PHY功能應(yīng)集成到一個ASIC,ADC和DAC工作在Gbps采樣率，至少兩倍于調(diào)制用的符號速率。為達到最小功耗和成本，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。點對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)信機評估套件

為更容易的評估Hittite 60GHz套片和簡化客戶樣機的系統(tǒng)開發(fā)，Hittite提供評估集成天線和帶天線接口兩種配置。HMC6450是一個60GHz的AiP內(nèi)置天線的收發(fā)信機評估套件.HMC6450包括兩個板子，分別為HMC6000LP711E發(fā)射機和HMC6001LP711E接收機。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60GHz MMPX收發(fā)信機評估套件，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頻譜提供一個絕佳的機會來滿足今天不斷增長的數(shù)據(jù)容量需求。Hittite現(xiàn)在提供一個高度集成的HMC6000/6001全硅收發(fā)信套片瞄準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基帶模擬信號到60GHz ISM波段，僅需用一個外置低頻參考時鐘振蕩器。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)信機到一個低成本塑料的QFN封裝里面。