專欄文章

目前5G毫米波系統可分成下述三個研發方向：前端模組(FEM)、波束成形電路(Beamformer)、以及升降頻器(UDC)。UDC主要由具鏡像抑制能力的升頻器與降頻器(IRM)、本地振盪信號(LO)、倍頻器、放大器以及模態選擇的開關所組成。本文將介紹應用於5G毫米波之升降頻系統之設計考量。

目前5G毫米波系統可分成下述三個研發方向：前端模組(RF Front-End Module，FEM)、波束成形電路(Beamformer)、以及升降頻器(Up/Down Converter，UDC)，其整合系統架構如圖。FEM一般由GaAs或GaN製作，決定了整串通訊鍊結的輸出功率與雜訊規格；波束成形電路與UDC因為需要高度積體化，一般採用CMOS去實現。波束成形電路負責調整天線陣列的場型強度與角度，而UDC進行高中頻(High-IF)的超外差升降頻，其最終連接至5G的Sub-6 GHz系統進行調變或解調。而本文欲提及之UDC關鍵設計因子，在5G高速傳輸扮演著重要的角色，一定程度的決定了整體系統最低可達到的EVM。

圖、5G毫米波系統架構

    為了實現高速傳輸，在5G採用高階正交振幅調變(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)技術以便提高頻譜效率。然而在已規範的位元錯誤比(Bit Error Rate，BER)之下，QAM的星座數量M與誤差向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)平方成反比，亦即M由16變至64時，EVM會減至一半^[1]。因資料量正比於log₂(M)，當我們需要在固定的頻寬之下傳送越高速的信號，所能容忍的EVM就越小。

UDC主要由具鏡像抑制能力的升頻器與降頻器(Image-Rejection Mixer，IRM)、本地振盪信號(Local Oscillator，LO)、倍頻器、放大器以及模態選擇的開關所組成。以圖的UDC為例，雖然其寬頻轉換增益的平坦度、振盪信號及其諧波穿隧效應、以及主動電路的非線性，皆為EVM惡化的成因。但最關鍵的來源還是LO之相位雜訊(Phase Noise，PN)，以及混波器的鏡像抑制比(Image-Rejection Ratio，IRR)，其關係式為

其中

是雙邊帶的PN所造成相位誤差之方均根值。

 參考資料

 [1] N. Ebrahimi, and J. F. Buckwalter, “A high-fractional-bandwidth, millimeter-wave bidirectional image-selection architecture with narrowband LO tuning requirements,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 53, no. 8, pp. 2164–2176, Aug. 2018.

[2]  E. Wagner, O. Shana’a, and G. M. Rebeiz, “A very low phase-noise transformer-coupled oscillator and PLL for 5G communications in 0.12 µm SiGe BiCMOS,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 68, no. 4, pp. 1529–1541, Apr. 2020.