60 GHz Wymarzone pasmo łączności bezprzewodowej
| TechnikaWykorzystując wyrafinowane techniki projektowania i produkcji, laboratoria badawcze zbliżają się do zrealizowania krzemowych chipów pracujących z częstotliwością 60 GHz. Gdy to się stanie, na rynku pojawią się oczekiwane przez konsumentów tanie systemy łączności, a urządzenia bezprzewodowe osiągną zupełnie nową jakość. Ale najpierw projektanci będą musieli się uporać z pięcioma wyzwaniami. Bezprzewodowa łączność w paśmie 60 GHz pozwoli na realizację różnych zastosowań komunikacyjnych, od ładowania plików z kiosków wideo do łączenia laptopa z drukarką. Obecnie komisja normalizacyjna przygotowuje nowy standard, który prawdopodobnie ukaże się w końcu 2009 roku, a zespoły badawcze szykują się do wyścigu w zakresie wykorzystania milimetrowego pasma fal radiowych.
Dlaczego 60 GHz?
Wykorzystanie pasma 60 GHz do tej pory wiązało się z kosztowną technologią półprzewodnikową arsenku galu (GaAs). Obecnie postępy w technice obróbki krzemu (CMOS) pozwalają wytwarzać mniejsze tranzystory o większej szybkości przełączania, co zbliża ich parametry do wymogów stawianych analogowym układom radiowym o paśmie 60 GHz. Na razie bazą pierwszych wielochipowych układów 60 GHz są bardzo szybkie układy krzemo- -germanowe (SiGe). Należy się jednak spodziewać, że w drugiej generacji tych układów zostaną wykorzystane pojedyncze struktury CMOS. Układy te powinny się pojawić na rynku do 2010 roku. W roku 2001 zwolniony został na całym świecie do wykorzystania bez licencji zakres częstotliwości od 57 do 64 GHz. Ta „bezlicencyjność” jest wielką zaletą, ponieważ operatorzy nie musza już tracić czasu i pieniędzy na uzyskiwanie zezwoleń od władz państwowych. Oczywiście główną zaletą pasma 60 GHz jest szybka szerokopasmowa łączność bezprzewodowa przy przepustowości znacznie wykraczającej poza obecne standardy (wszystkie poniżej 10 GHz). Oczywista wada łączności na częstotliwości 60 GHz – znaczne tłumienie propagacyjne – staje się zaletą w zastosowaniach krótkiego zasięgu ze względu na odporność na interferencje i duże bezpieczeństwo.
Ogromne możliwości
Rys. 1. Przyporządkowanie pasma 60 GHz na świecie
Duża przepustowość transmisji bezprzewodowej do 5 Gbit/s i krótki zakres rzędu 3–5m przywołują na myśl liczne zastosowania. Wystarczy przypomnieć przytoczone przez komitet normalizacyjny IDEE dziedziny powszechnego użytku:
- bezprzewodowy interfejs multimedialny wysokiej rozdzielczości (HDMI), w którym nieskompresowane sygnały wideo są bezprzewodowo nadawane z odtwarzacza DVD do płaskiego monitora,
- szybka dwukierunkowa transmisja filmów wysokiej rozdzielczości; użytkownik może ściągać filmy HD z wideokiosku do swojej kieszonkowej pamięci, a w domu z pamięci do komputera,
- bezprzewodowa stacja dokująca, w której laptop może łączyć się bezprzewodowo z siecią, wyświetlaczem, napędem przenośnym, drukarką, cyfrowym aparatem fotograficznym itp.
Wyzwania
Z pasmem 60 GHz łączą się wielkie możliwości, ale też i wielkie wyzwania. Przede wszystkim tak duża częstotliwość nośna – o rząd wielkości większa od aktualnych standardów – narzuca wielkie wymagania projektantom układów analogowych i antenowych. Jeżeli chce się opracowywać jednochipowe układy radiowe 60 GHz w technologii CMOS, wyzwanie technologiczne staje się jeszcze większe. Niezbędne jest tu wykorzystanie struktur 45nm produkowanych w zaawansowanej technologii, do której dostęp mają głównie ośrodki badawcze. Innym wyzwaniem jest szerokie pasmo wynoszące 7 GHz (od 57 do 64 GHz). Oznacza to, że częstotliwość może się zmieniać o 15% wartości środkowej, czyli znacznie więcej niż 3% w standardzie Wi-fi (od 2,4 do 2,485). Może to stanowić problem dla bloku głowicy analogowej, syntezera częstotliwości i anteny.
Po trzecie, przetworniki A/C i C/A muszą działać z wielką szybkością próbkowania, równą około 4 GS/s przy rozdzielczości 5–6 bitów. Takie parametry są trudne do realizacji w układach CMOS, zwłaszcza przy konieczności zachowania małego poboru mocy. Duża szybkość próbkowania narzuca też wielkie wymagania układowi DSP. Niemniej jednak, kilka ciekawych przetworników A/C o ultramałej mocy przedstawiono na konferencji ISSCC 2008. Czwartym problemem dla radia 60 GHz jest mały stosunek sygnału do szumu. Wynika on z dwóch przyczyn. Duża częstotliwość nośna oznacza małą moc odbieraną, a duża szerokość pasma (2 GHz przy nośnej na 60 GHz) przyczynia się do dużego napięcia szumów w odbiorniku. W celu przeciwdziałania temu zjawisku stosuje się kształtowanie wiązki zarówno odbieranej, jak i nadawanej. Inteligentne kształtowanie wiązki osiąga się przez stosowanie wielokrotnych ścieżek antenowych połączonych z programowalnymi przesuwnikami fazy.
W bardzo wymagających pod względem przepływności danych aplikacjach są potrzebne większe zespoły antenowe. Kształtowanie wiązki jest ważniejsze w przypadku zastosowań łączonych (np. bezprzewodowe HDMI) niż ruchomych (kiosk wideo), ponieważ w tym ostatnim przypadku w razie trudności można układ przenośny przysunąć bliżej do wideo-kiosku. Piątym wyzwaniem dla projektantów łączności 60 GHz jest konieczność uświadomienia sobie, że standard składa się z trzech warstw fizycznych. Jedna to modulacja pojedynczej nośnej z wyrównaniem w domenie częstotliwości (SC-FDE) oraz dwa warianty ODM.
Krzysztof Pochwalski
