Presentation - 松澤・岡田研究室

64QAM全4チャネル対応
60GHz帯CMOS無線送信回路
○佐藤慎司, 瀬尾有輝, 津久井裕基,
岡田健一, 松澤昭
東京工業大学大学院理工学研究科
2014/3/18
研究背景
1
60GHz帯の特徴
 伝搬中の減衰が大きい
 幅広い帯域が無免許で
開放されている
近距離高速無線通信への
利用が期待される
• IEEE 802.11ad
– 57.24GHz – 65.88GHz
– 2.16GHz/ch x 4ch
– QPSK ⇒ 3.5Gbps/ch
– 16QAM ⇒ 7.0Gbps/ch
– 64QAM ⇒ 10.6Gbps/ch
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
研究目的
2
研究目的
• 64QAM通信の実現、通信速度28Gbpsを実現する
無線送信回路の開発
• IEEEで定められた4つのチャネルを束ねて使う
– 2 channels : 14.08Gbps (16QAM)
– 3 channels : 21.12Gbps (16QAM)
– 4 channels : 28.16Gbps (16QAM)
Ch.1
2014/3/18
Ch.2
Ch.3
Ch.4
f
57.24 58.32 59.40 60.48
62.64 63.72 64.80 65.88
61.56
S. Sato, Tokyo
Tech
[GHz]
60GHz帯通信における課題
• 60GHz帯では
広帯域の変調信号を用いる
3
ideal
practical
f [GHz]
57.24
59.40
61.56
63.72
65.88
• ベースバンド（BB）帯域に
おける利得の平坦性を
広帯域で取ることが必要
利得の平坦性が悪いと
EVMが劣化
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
BB側の設計（従来）
4
Mixer BB Amp.
BB
RF
LO Buf.
LO
• BB端で50Ωマッチングを取るために50Ωバッファ
としてBB Amp.が必要
• BB Amp.のトランジスタの特性により、
BB側の利得の平坦性が劣化する
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
Mixer-first 送信回路
5
Mixer
BB
RF
LO Buf.
• BB Amp.を除去し、Mixer-first送信回路を採用
• RF帯のインピーダンスを入力インピーダンスへ
ダウンコンバートし広帯域で50Ωマッチングを取る
• 広帯域で利得の平坦性と50Ωマッチングを実現可能
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
BB端入力インピーダンス
LO+
6
LO-
To
PA
BB
input
Mixer
RF Amp.
Rf
LO+ Rsw
Matching
network
Rsw
To
PA
ZRF
LO-
50Ω
200Ω
Zin
BB
input
Rsw
Rsw
ZRF
Rf
2014/3/18
LO+
S. Sato, Tokyo Tech
200Ω
Zin
MixerとRF Amp.の整合方法
MIM TL
TL
7
Rf
in
out
Rf
• 抵抗帰還型を使用
– 伝送線路により入力サセプタンスを整合
– 帰還抵抗により入力コンダクタンスを整合
• 帰還抵抗を用いることで周波数依存性を小さくできる。
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
Zin [Ω]
BB端入力インピーダンス
8
70
60
50
40
30
20
10
0
meas.
sim.
0
0.88
1.76
2.64
3.52
BB frequency [GHz]
• 広帯域で抵抗値が一定にできた
• 50Ωより少し小さくなった
– 測定時にMixerに入るLOパワーが大きかった
– RFAmpの抵抗値が小さい
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
送信回路のブロック図
• Mixer-first 送信回路
–
–
–
–
2014/3/18
パッシブミキサ
2段 LO電力増幅器
差動電力増幅器
6段電力増幅器
S. Sato, Tokyo Tech
9
チップ写真
10
4.2mm
Tx BB in
Tx out
I MIXER LO BUF.
Q.OSC.
PLL
Q MIXER LO BUF.
I MIXER LO BUF.
Rx in
LNA
Q.OSC.
Logic
Area
Q MIXER LO BUF.
2014/3/18
Rx BB out
PA
S. Sato, Tokyo Tech
Tx
1.03mm2
Rx
1.25mm2
PLL
0.90mm2
Logic
0.67mm2
Conversion Gain [dB]
送信回路の変換利得
11
30
25
20
15
10
5
0
0.00
1.08
2.16
3.24
4.32
• Lower側の変換利得
• LO=61.56GHz、BB=10 MHz～4.32 GHz
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
通信測定結果
12
• 全チャネルで64QAM通信を確認
• 16QAM、4チャネルボンディングを用いて28.16Gb/sの
通信速度を達成
Channel/
Carrier
freq.
ch.1
58.32GHz
ch.2
60.48GHz
Modulation
ch.3
62.64GHz
ch.4
64.80GHz
ch.1-ch.4
Channel bond
64QAM
Data rate
10.56Gb/s
10.56Gb/s
16QAM
10.56Gb/s
28.16Gb/s
10.56Gb/s
Constellation
Spectrum
TX EVM
TX-to-RX
EVM
2014/3/18
0
0
0
0
0
-10
-10
-10
-10
-10
-20
-20
-20
-20
-20
-30
-30
-30
-30
-30
-40
-40
-40
-40
-50
55.82
58.32
60.82
-50
57.98
60.48
62.98
-50
60.14
62.64
65.14
-50
62.30
-40
64.80
67.30
-50
55.56
58.56
61.56
64.56
-27.1dB
-27.5dB
-28.0dB
-28.8dB
-20.0dB
-24.6dB
-23.9dB
-24.4dB
-26.3dB
-17.2dB
S. Sato, Tokyo Tech
67.56
まとめ
13
• まとめ
– 送信回路をMixer-firstの構成にすることで広帯域
で平坦な利得特性とインピーダンス特性を実現し
た。
– 通信測定では世界初全4チャネルに対応した
64QAM変調の貫通を実現した。
– 16QAM変調において4チャネルボンディングを用
いて世界最高の通信速度28.16Gb/sを実現した。
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
14
Thank you for your attention.
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
発表内容
•
•
•
•
15
研究背景
研究目的
課題
Mixer-first 送信回路
– 入力インピーダンスマッチング
– 抵抗帰還型RFAmp.
• 測定結果
• 結論
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
BB端入力インピーダンス
Matching
network
Rf
To PA
LO+ RSW
50W
RSW
200W Zin
ZRF
LO-
𝒁𝐢𝐧 𝝎𝐁𝐁
BB
input
RSW
RSW
ZRF
Rf
16
LO+
200W Zin
𝟒
= 𝟐𝟎𝟎𝛀// 𝑹𝐬𝐰 + 𝟐 𝒁𝐑𝐅 𝝎𝐁𝐁 + 𝝎𝐋𝐎 + 𝒁𝐑𝐅 𝝎𝐁𝐁 − 𝝎𝐋𝐎
𝝅
Wideband ZRF is realized by Rf-feedback.
*C. Andrews, et al., ISSCC 2010
RF Amp.の入力アドミタンス
17
Rf大
• Rfの値を変えることで入力コンダクタンスを調整可能
• 抵抗帰還型を用いることで入力コンダクタンスの周波
数依存性を小さくできている。
広帯域で入力インピーダンスを50Ωにできる
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
BB帯域の変換利得
18
Conversion Gain [dB]
0
-5
-10
-15
meas.
sim.
-20
0
0.88
1.76
2.64
BB frequency [GHz]
• 変換利得 vs BB周波数
• 良好な利得の平坦性
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
3.52
抵抗帰還型アンプ
19
Rf
𝒗𝒐𝒖𝒕 − 𝑨𝒗𝒊𝒏
𝒊𝒊𝒏 =
𝑹𝒇
i in
vout
A
vin
抵抗帰還型
A
vin
vout
入力コンダクタンスGを
Rfにより調整可能
Rf
A
等価回路
2014/3/18
𝒊𝒊𝒏 𝟏 − 𝑨
𝑨
𝑮=
=
≈
𝒗𝒊𝒏
𝑹𝒇
𝑹𝒇
S. Sato, Tokyo Tech
送信回路の測定結果
40
20
ch. 1
ch. 2
ch. 3
ch. 4
30
25
20
15
10
15
Pout [dBm], CG [dB]
Conversion Gain [dB]
35
20
10
5
0
-5
-10
-20
0
-25
57.24 58.32 59.40 60.48 61.56 62.64 63.72 64.80 65.88
Frequency [GHz]
40
Conversion Gain [dB]
35
CG
Pout
-15
5
-20
-15
-10
-5
0
Pin [dBm]
5
10
4ch-bonding
30
送信回路
測定結果
20
変換利得
13.5dB
15
OP1dB
1.4dBm(Ch.2.5)
10
Psat
10.3dBm(Ch.2.5)
25
5
0
57.24 58.32 59.40 60.48 61.56 62.64 63.72 64.80 65.88
Frequency [GHz]
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
15
変換利得
21
40
Conversion Gain [dB]
35
ch. 1
ch. 2
ch. 3
ch. 4
30
25
20
15
10
5
0
57.24 58.32 59.40 60.48 61.56 62.64 63.72 64.80 65.88
Frequency [GHz]
• LO周波数: 58.32 GHz、60.48 GHz、62.64 GHz、64.8 GHz
• BB周波数: 10 MHｚ～1.08 GHz
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
変換利得（チャネルボンディング）
40
Conversion Gain [dB]
35
4ch-bonding
30
25
20
15
10
5
0
57.24 58.32 59.40 60.48 61.56 62.64 63.72 64.80 65.88
Frequency [GHz]
• LO周波数: 61.56 GHz、4chボンディング
• BB周波数: 10 MHz～4.32 GHz
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
22
大信号特性
23
25
Pout [dBm] , CG [dB]
20
15
CG
Pout
10
5
0
-5
-10
-15
-25 -20 -15 -10 -5 0
Pin [dBm]
5
10
15
• LO周波数: 61.56 GHz、BB周波数:100 MHz
• 変換利得: 13.5 dB
• OP1dB: 1.4 dBm、 Psat: 10.3 dBm
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
変換利得（従来比較）
24
Normalized
Conversion Gain [dB]
5
0
-5
-10
-15
This work
-20
Previous work
-25
0
0.88
1.76
2.64
Frequency [GHz]
• Lower側変換利得
• LO周波数: 60.48 GHz
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
3.52
通信測定の測定系
25
Power supply
Power supply
Oscilloscope
Arbitrary
Waveform
Generator
RF board
(Tx mode)
RF board
(Rx mode)
Power supply
Oscilloscope
Tektronix DSA73304D
(33-GHz BW, 100GS/s)
Arbitrary Waveform Generator
Tektronix AWG70002A
(25GS/s)
36MHz ref.
Control
signals
36MHz ref.
14 dBi
RF board
(Tx mode)
Control
signals
RF board
(Rx mode)
Measurement setup for Tx-to-Rx performance
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
Power
supply
通信測定結果（64QAM）
26
• 全チャネルで64QAM通信を確認
Channel/
Carrier
freq.
ch.1
58.32GHz
ch.2
60.48GHz
Modulation
ch.3
62.64GHz
ch.4
64.80GHz
ch.1-ch
Channel b
64QAM
Data rate*
10.56Gb/s
10.56Gb/s
16QAM
10.56Gb/s
28.16Gb
10.56Gb/s
Constellation**
Spectrum**
Back-off
Tx EVM**
Tx-to-Rx
EVM***
2014/3/18
0
0
0
0
0
-10
-10
-10
-10
-10
-20
-20
-20
-20
-20
-30
-30
-30
-30
-30
-40
-40
-40
-40
-40
-50
55.82
-50
57.98
-50
60.14
-50
62.30
58.32
60.82
60.48
62.98
62.64
65.14
64.80
67.30
-50
55.56
58.56
61.56
64
12.3dB
-27.1dB
12.0dB
-27.5dB
10.3dB
-28.0dB
12.0dB
-28.8dB
8.9dB
-20.0dB
-24.6dB
-23.9dB
-24.4dB
-26.3dB
-17.2dB
S. Sato, Tokyo Tech
通信測定結果（16QAM）
27
• 全チャネルで通信を確認
• 4チャネルボンディングを用いて28.16Gb/sの通信速度を達成
。
Channel/
ch.1
ch.2
ch.3
ch.4
ch.1-ch.4
Carrier freq.
58.32GHz
60.48GHz
62.64GHz
64.80GHz
Channel bond
7.04Gb/s
28.16Gb/s
Modulation
16QAM
Data rate*
7.04Gb/s
7.04Gb/s
7.04Gb/s
Constellation**
Spectrum**
Back-off
Tx EVM**
Tx-to-Rx
EVM***
Distance
2014/3/18
0
0
0
0
0
-10
-10
-10
-10
-10
-20
-20
-20
-20
-20
-30
-30
-30
-30
-30
-40
-40
-40
-40
-40
-50
55.82
-50
57.98
-50
60.14
-50
62.30
58.32
60.82
60.48
62.98
62.64
65.14
64.80
67.30
-50
55.56
58.56
61.56
64.56
5.8dB
-27.8dB
5.6dB
-27.6dB
6.7dB
-28.4dB
6.3dB
-28.8dB
8.9dB
-20.0dB
-24.6dB
-24.1dB
-24.6dB
-27.0dB
-17.2dB
0.7m
0.6m
0.8m
0.4m
0.07m
S. Sato, Tokyo Tech
67.56
QPSK
28
• Tx単体のConstellationおよびspectrum
• 全chボンディングでも良好なEVM
Channel/
ch.1
ch.2
ch.3
ch.4
ch.1-ch.4
Carrier freq.
58.32GHz
60.48GHz
62.64GHz
64.80GHz
Channel bond
3.52Gb/s
14.08Gb/s
Modulation
QPSK
Data rate*
3.52Gb/s
3.52Gb/s
3.52Gb/s
Constellation**
Spectrum**
Back-off
Tx EVM**
Tx-to-Rx
EVM***
Distance
2014/3/18
0
0
0
0
0
-10
-10
-10
-10
-10
-20
-20
-20
-20
-20
-30
-30
-30
-30
-30
-40
-40
-40
-40
-40
-50
55.82
-50
57.98
-50
60.14
-50
62.30
58.32
60.82
60.48
62.98
62.64
65.14
64.80
67.30
-50
55.56
58.56
61.56
64.56
5.8dB
-28.1dB
4.8dB
-27.7dB
3.4dB
-29.0dB
5.2dB
-29.7dB
8.9dB
-20.1dB
-25.3dB
-24.5 dB
-24.5dB
-26.6dB
-17.9dB
2.4m
2.0m
2.6m
0.9m
0.3m
S. Sato, Tokyo Tech
67.56
性能比較
29
Data rate /
Modulation
Tx-to-Rx
EVM
Integration
Power
consumption
Tx: 186mW
Rx: 106mW
PLL: 66mW
Tx: 1,820mW
Rx: 1,250mW
Tokyo Tech
11Gb/s(16QAM)
-17dB
65nm, direct-conversion, Tx, Rx,
LO, antenna
SiBeam
7.14Gb/s(16QAM)
-19dB
65nm, 32x32-array heterodyne,
Tx, Rx, LO
Tokyo Tech
16Gb/s(16QAM)
20Gb/s(16QAM)
-21dB
65nm, direct-conversion, Tx, Rx, Tx: 319mW
LO, antenna, analog & digital BB Rx: 223mW
IMEC
7Gb/s(16QAM)
-18dB
40nm, direct-conversion, Tx, RX, Tx: 167mW
w/o PLL
Rx: 112mW
Panasonic
2.5Gb/s(QPSK)
-22dB
90nm, direct-conversion, Tx, Rx, Tx: 347mW
LO, antenna, analog & digital BB Rx: 274mW
This work
10.56Gb/s(64QAM)
28.16Gb/s(16QAM)
-26dB
65nm, direct-conversion, Tx, Rx,
LO
Tx: 251mW
Rx: 220mW
世界初の全４チャネル対応64QAM通信を達成
世界最高の通信速度28.16Gb/sを達成
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
Power consumption
30
201212 Tx [mW]
2014/3/18
ILO
17.88
LO BUF
37.20
BB BUF
-
Mixer
3.24
RF BUF
13.08
PA
115.32
Tx sum
186.72
Tx + PLL
247.92
S. Sato, Tokyo Tech
Power consumption
2014/3/18
31
201108 Tx [mW]
201212 Tx [mW]
ILO
40.36
17.88
LO BUF
49.32
37.20
BB BUF
21.96
-
Mixer
8.88
3.24
RF BUF
35.52
13.08
PA
130.68
115.32
Tx sum
286.72
186.72
Tx + PLL
351.01
247.92
S. Sato, Tokyo Tech
SRR
Normalized Power [dBc]
32
0
-10
-20
-30
-40
Image
-50
57.62
LO
57.97
58.32
58.67
Frequency [GHz]
59.02
• LO周波数: 58.32 GHz、BB周波数: 500 MHz
• SRR、LO leakageともに-40 dBcを達成
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
研究目的
33
幅広い周波数帯域を使うことで高いデータレートを実現できる
良好なEVMが必要
30
東工大(28Gb/s)
SNR [dB]
25
20
15
東工大(10Gb/s)
SiBeam
64QAM
CEA-LETI
東工大
10
東工大(20Gb/s)
16QAM
Panasonic (1.8Gb/s)
Broadcom (4.6Gb/s)
IMEC(7Gb/s)
UCB
QPSK
5
0
2010
2011
2012
Year
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
2013
2014
チップ写真
34
BB1 in
Q.OSC.
Q MIXER LO BUF.
I MIXER LO BUF.
LNA
PA
PLL1
Logic
BB1 out
Rx1 in
Tx1 out
I MIXER LO BUF.
Tx2 out
Rx2
BB2 out
Rx2 in
Q.OSC.
Q MIXER LO BUF.
Tx2
PLL2
BB2 in
4.2mm
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
Meas. setup of Tx
35
Oscilloscope
Tektronix DSA73304D
(33-GHz BW, 100GS/s)
Signal Generator
Power supply Agilent E8257D
Arbitrary Waveform Generator
Tektronix AWG70002A
(25GS/s)
Control
signals
fLO-6GHz
(e.g. 54.48GHz)
Millitech Mixer
MXP-15-RFSFL
Attenuator
Spectrum Analyzer
Agilent E4448A
ATT
Isolator
36MHz ref.
RF board
(Tx mode)
6GHz
Divider
Pre-amplifier
B&Z BZP140UD1
(0.1GHz-40GHz)
Measurement setup for Tx performance
• 入力: AWG（変調波、single tone）
• 出力: オシロ（EVM等）、スペアナ（SRR等）
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
BB端入力インピーダンスの解析
36
• Mixer-RFAmp間のマッチングを取る
• 入力インピーダンスを50Ωにする
Mixer
RFAmp
𝒀𝑹𝑭 𝝎 =
𝟏
𝒁𝑹𝑭 𝝎
= 𝑮 + 𝒋𝑩
と定義すると
𝑩 = −𝝎𝑹𝑭 𝑪𝒑 のとき出力電力最大
𝟖
𝒁𝒊𝒏 𝝎 ≈ 𝑹𝑺𝑾 + 𝟐 𝑹𝒆 𝒁𝑹𝑭 𝝎𝑳𝑶
𝝅
𝟖 𝟏
= 𝑹𝑺𝑾 + 𝟐 ∙
𝝅 𝑮
負荷コンダクタンスを調整
することでZinを50Ωにできる
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech
Up-conversion mixer
DCオフセット調整
37
RF
BB
LO
2014/3/18
S. Sato, Tokyo Tech

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