leiphone 矽說

按：本文作者李一雷，UCLA博士生，高通（射頻組）實習工程師，矽說（微信號：silicon_talks）主筆。

第五代行動通信系統（5th generation mobile networks，簡稱5G）離正式商用（2020年）越來越接近，這些日子三星、華為等各大廠商也紛紛發佈了自己的解決方案，可謂「八仙過海，各顯神通」。

5G的一個關鍵指標是傳輸速率：按照通信行業的預期，5G應當實現比4G快十倍以上的傳輸速率，即5G的傳輸速率可實現1Gb/s。這就意味著用5G傳輸一部1GB大小的高清電影，僅僅需要10秒！另外如此高的傳輸速度也會帶來一些其他的應用，比如雲端遊戲（遊戲在雲端服務器執行，直把執行畫面傳回手機，這樣手機配置不高也能玩大型遊戲），虛擬現實（同理把運算放到雲端，手機端只負責輸出畫面）等等。

Millimeter Wave Technology for 5G

5G如何實現如此高的傳輸速率呢？

無線傳輸增加傳輸速率，大體上有兩種方法，其一是增加頻譜利用率，其二是增加頻譜頻寬。在無線傳輸中，資料以碼元(symbol)的形式傳送。在碼元傳送速率（碼率）不變的情況下，訊號佔用的無線頻寬不變，而每個碼元傳送的訊息資料量是由調制方式決定的。

調制方式是指如何用訊號傳遞資訊。

在古代，人們用烽火台傳遞資訊，有情況的時候點燃烽火，每有情況的時候熄滅烽火。從現代通訊理論來說，就是我們調制了烽火。由於普通的烽火一共只有兩種狀態（點燃和熄滅），因此烽火台一次只能傳遞1比特的訊息（0=熄滅=沒有敵人，1=點燃=有敵人）。烽火台能不能改善一下來一次傳遞更多訊息呢？我們可以通過引入更多狀態來實現這一點。例如，改進的烽火台裡面我們可以控制烽火的火勢，將火勢分為熄滅、小火、中火和大火四種狀態，這樣我們就可以一次傳遞兩比特的訊息（00=熄滅=沒有敵人，01=小火=有敵人且離我們很遠，10=中火=有敵人且離我們不遠，11=大火=有敵人且已經兵臨城下）。

然而，不能兩全其美的是，引入更多狀態的同時也會增加訊息傳遞出錯的可能。如果天氣不好的時候可能會把中火看成小火，這樣訊息的傳遞就出錯了。相對地，如果只有兩種狀態（熄滅和點燃），則出錯的幾率比較小。

無線通訊中的調制也是這個道理，通過操縱無線電波的幅度和相位可以產生載波的不同狀態。當調制方式由簡單變到複雜時，載波狀態數量增加，一個碼元所代表的訊息量（比特數）也增加。

但另一方面每個碼元狀態之間的間距也變小，因此容易受到噪聲干擾使得碼元偏離原本應該在的位置從而造成解碼出錯。所以複雜調制對訊號頻道的要求比較高，在信道噪聲很大的情況下使用複雜調制會導致資料傳輸誤碼率很高，而且解碼所需要的電路也會非常複雜，導致功耗很大。

由簡單（左）到複雜（右）調制的狀態圖

相對於提高頻譜利用率，增加頻譜頻寬的方法顯得更簡單直接。在頻譜利用率不變的情況下，可用頻寬翻倍則可以實現的資料傳輸速率也翻倍。但問題是，現在常用的5GHz以下的頻段已經非常擁擠，到哪裡去找新的頻譜資源呢？各大廠商不約而同想到的方法就是使用毫米波技術。

毫米波是什麼？毫米波的特点？

毫米波是指波長在毫米數量級的電磁波，其頻率大約在30GHz~300GHz之間。

根據通信原理，無線通信的最大訊號頻寬大約是載波頻率的5%左右，因此載波頻率越高，可實現的訊號頻寬也越大。在毫米波頻段中，28GHz頻段和60GHz頻段是最有希望使用在5G的兩個頻段。28GHz頻段的可用頻譜頻寬可達1GHz，而60GHz頻段每個信道的可用訊號頻寬則到了2GHz（整個9GHz的可用頻譜分成了四個信道）。

相比而言，4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下，而可用頻譜頻寬只有100MHz。因此，如果使用毫米波頻段，頻譜頻寬輕輕鬆松就翻了10倍，傳輸速率也可得到巨大提升。5G時代，我們可以使用毫米波頻段輕輕鬆松用手機5G在線看藍光品質的電影，只要你不怕流量用完！

各個頻段可用頻譜頻寬比較

毫米波頻段的另一個特性是在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱。換句話說，用毫米波實現訊號穿牆基本是不可能。但是，毫米波在空氣中傳輸衰減，大也可以被我們所利用，所謂」It's not a bug，it's a feature！」：你手機使用的毫米波訊號衰減確實比較大，但是同樣地其他終端發射出的毫米波訊號（對你而言是干擾訊號）的衰減也很大，所以毫米波系統在設計的時候不用特別考慮如何處理干擾訊號，只要不同的終端之間不要靠得太近就可以。選擇60GHz更是把這一點利用到了極致，因為60GHz正好是氧氣的共振頻率，因此60GHz的電磁波訊號在空氣中衰減非常快，從而可以完全避免不同終端之間的干擾。

當然，毫米波在空氣中衰減非常大，這一特點也注定了毫米波技術，不太適合使用在室外手機終端和基地台距離很遠的場合。各大廠商對5G頻段使用的規劃是，在戶外開闊地帶使用較傳統的6GHz以下頻段，以保證訊號覆蓋率，而在室內則使用微型基地台加上毫米波技術，實現超高速資料傳輸。

毫米波必須配合微型基站（或接入點）使用

毫米波相比於傳統6GHz以下頻段還有一個特點就是天線的物理尺寸可以比較小。這是因為天線的物理尺寸正比於波段的波長，而毫米波波段的波長遠小於傳統6GHz以下頻段，相應的天線尺寸也比較小。因此我們可以方便地在行動設備上配備毫米波的天線陣列，從而實現各種MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信訊號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信品質）技術，包括波束成型（有關波束成型，我們會在下一篇文章裡面詳細介紹）。

毫米波收發機晶片如何實現

NICT研發的毫米波收發機架構圖

商用的毫米波收發機晶片會使用CMOS（CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor，指用半導體-氧化層-金屬堆疊形成半導體器件的技術，是最常用的整合電路製造技術）技術，這一方面為了能夠和數位模組整合成，另一方面為了節省成本。

毫米波收發機晶片的結構和傳統頻段收發機很相似，但是毫米波收發機有著獨特的設計挑戰。

其一是如何控制功耗。毫米波收發機要求CMOS器件能工作在毫米波頻段，所以要求CMOS器件對訊號的靈敏度很高。我們可以參照日常生活中的水龍頭來說明這個問題。

大家一定都經常有開關水龍頭的經驗，很多水龍頭在關著時，需要擰很多下才會出來一點點水，然後隨著水流越來越大，只要多擰一點點水流就會變大很多。在這裡，手擰龍頭的動作就是激勵訊號，而對應的水流變化就是輸出響應。CMOS器件本質上和水龍頭很像，都是通過控制端（即CMOS的柵極）調整輸出流量（對水龍頭是水流，對CMOS則是輸出電流）。

因此，如果需要CMOS器件對微弱的毫米波信號能快速響應，必須把它的直流電流調到很大（相當於把水龍頭設置在水流很大的狀態）。這樣一來，CMOS電路就需要很大的功耗才能處理毫米波訊號。

另一個毫米波晶片必須考慮的問題是傳輸線效應。

相信大家還記得高中物理裡面的受力分析，（下圖左）分析一根靜止繩子的受力情況（靜力分析）是很簡單的，繩子的彈力即等於人對繩子的拉力，而且每一點都相同，這樣的問題在高中物理考試裡面屬於送分題。但如果不是靜止地拉繩子，而是用手揮動繩子呢（下圖右）?這時在繩子上產生了一列機械波，每一點的受力情況都不相同，而且受力的變化不僅取決於手揮動繩子手的施力還取決於繩子的材質（決定了波長）。這時候分析受力就比較困難，屬於高中物理競賽級別的題目。

毫米波電路設計也會遇到類似的挑戰。我們可以把電路中的導線類比成繩子，而把電路中的信號源類比為對繩施力的人。當訊號變化的頻率很慢的時候，就近似地等於靜力分析，此時導線上每一點的訊號都近似地等於信號源的信號。當信號變化很快時，由於信號的波長接近或小於導線的長度，我們必須仔細考慮導線上每一點的情況，而且導線的性質（特徵阻抗）會極大地影響訊號的傳播。

這種效應在電磁學中被稱為「傳輸線效應」，在設計毫米波晶片時必須仔細考慮傳輸線效應才能確保晶片正常工作。

不過，儘管設計充滿挑戰，毫米波芯片大規模商用化目前已現曙光。Broadcom已經推出了60GHz的收發機晶片（BCM20138），該產品主要針對60GHz頻段的WiFi標準(802.11.ad)，也可以看作是為5G毫米波晶片解決方案投石問路。Qualcomm也於兩年前不甘落後收購了專注於毫米波技術的Wilocity。同時，三星，華為海思等重量級選手也在加緊研發毫米波晶片。相信在近期我們就會看到毫米波射頻晶片市場變得熱鬧非凡。