mmWave
愛德萬將於南韓半導體展秀新IC測試方案
南韓國際半導體展(SEMICON Korea)將於2020年2月5日至7日,假首爾COEX商場盛大登場,半導體測試設備供應商愛德萬測試(Advantest)將展示最新IC測試解決方案。
愛德萬測試全球行銷傳播副總Judy Davies表示,2020年的產品展示將著重呈現該公司多年來秉持先進測試技術,在不斷演進的半導體產業持續耕耘並做出貢獻。透過強化核心業務和開拓新領域,持續滿足瞬息萬變的半導體供應鏈源源不絕的新需求與挑戰。
除了高速記憶體測試解決方案外,愛德萬測試還將展示更多推動5G革命、加速其他革新應用的產品與解決方案,如先進駕駛輔助系統(ADAS)/自動駕駛、物聯網(IoT)/智慧裝置和人工智慧(AI)。
愛德萬測試將展出的最新重點產品含V93000 Wave Scale Millimeter解決方案,開創首款高度整合、模組化多部位毫米波(mmWave)ATE測試方案,能以良好成本效益測試高達70GHz的5G-NR毫米波元件;針對T2000系列測試平台設計,與最新圓形HIFIX整合的兩款新模組,在設計目的上為了擴大測試範圍、提升平行測試能力並降低使用於汽車之系統單晶片(SoC)元件的測試成本;首款兼具熱控制能力與高產能的測試平台MPT3000ARC,能進行包括PCIe Gen 4在內之固態硬碟(SSD)的極端溫度測試;和來自Advantest Test Solutions(ATS)的SoC系統級測試解決方案。
貿澤電子11月新產品開始供貨
貿澤電子(Mouser)在上個月發表超過434項新產品,全數均已可出貨。
新產品包括Microchip Technology DM320118 CryptoAuth信任平台套件,是一款CryptoAuthentication評估套件,可用來探索及開發適用於物聯網領域的解決方案,套件內包含預先配置的ATECC608A Trust&GO、預先設定的TrustFLEX,和可完全自訂的TrustCUSTOM產品。
Texas Instruments AWR1843毫米波汽車用雷達感測器則為一款整合式單晶片的調頻連續波(FMCW)雷達感測器,專為低功耗、可自我監控、超高準確度的汽車雷達系統中的毫米波(mmWave)應用所設計;Molex Micro-Lock Plus垂直連接器為1.25 mm間距的垂直插頭,具備正向鎖扣特性和可選購的密封功能,適合用於各種工業與消費型應用;Osram Opto Semiconductors Oslon P1616紅外線發射器為雙重堆層的紅外線(IR)發射器,適合CCTV監控、眼部追蹤、手勢辨識和保全等應用。
商業化應用全面開展 致茂力推5G應用量測方案
5G商轉如火如荼,5G服務與相關通訊設備已陸續出現在市場上,大舉推出的時間點預計將落在2020年,屆時不僅網路建設將大規模開展,支援5G的各種終端應用產品也將進軍市場。使得5G相關產品製造商將面臨截然不同的挑戰,如何大幅提升產品測試的效率,以趕上緊湊的產品上市時程計畫,將是5G供應鏈廠商必須克服的問題。
為此,致茂電子舉辦「2019 5G通訊量測應用研討會」,該公司總經理曾一士表示,2019年已經有14~15個國家推動5G商轉,2020年將持續增加。而除了5G,AI與IoT也是未來幾年重大的科技趨勢,這些技術發展與應用不啻是產業重心與商機。但相對之下,高傳輸速率、低延遲、高可靠度、功能安全性等的要求帶動元件、成品的測試挑戰與需求,為達成產品與技術效能全面提升的走向,測試的必要性也更被重視。
5G技術架構全面提升
5G網路全面改善4G系統的效能,工研院資通所新創長周勝鄰提到,5G主要透過無線電標準與網路規劃/建置來克服效能提升的技術挑戰。5G要求系統容量達4G的100~1000倍成長,其中透過大規模MIMO(Massive MIMO),以提升頻譜效率;開發高頻毫米波(mmWave),來取得更多可用頻段;超高密度網路(Ultra-Dense Networks, UDN)可以提升網路容量。
另外,5G的高可靠度/低延遲將帶動許多新興應用如:車聯網、智慧製造、智慧醫療、AR/VR等,許多過去未能落實的概念,在5G時代得以發展,小型基地台就會從強化網路覆蓋率的角色,轉變為擴增網路容量的任務,成為5G時代的組網主幹。
光通訊骨幹因應5G升級頻寬
而5G傳輸速率大幅提升,也帶動光通訊網路的發展,由於5G需要部署大量基地台,傳統的基地台功能也被拆分為RU(Radio Unit)、DU(Distribution Unit)、CU(Central Unit)三個主要單元,因應這些網路單元的布建與架構方式,致茂電子資深經理張敏宏(圖1)表示,光纖網路除了頻寬升級需求外,各式與無線接取單元搭配的光纖網路扮演重要的角色,包括RU與DU間的前傳網路(Fronthaul)、DU與CU間的中傳網路(Midhaul)、CU與核心網路間的後傳網路(Backhaul)都需要仰賴光通訊技術。
圖1 致茂電子資深經理張敏宏表示,光纖網路除了頻寬升級外,與無線接取單元搭配的光纖網路在5G時代將扮演重要的角色。
因應頻寬的成長需求,光通訊技術也推動改朝換代,尤其是高頻寬解決方案未來幾年將持續被導入,張敏宏表示,波長分波多工(Wavelength Division Multiplexing, WDM)應用將更為普遍,而已經發展相當成熟的不歸零(Non-Return-to-Zero, NRZ)編碼,將逐漸為可提供更高頻寬的四階脈衝振幅調變(Pulse Amplitude Modulation-4, PAM4)技術取代,核心骨幹網路頻寬將升級到400G,光通訊收發器(Transceiver)數量也將大幅成長。而在光收發器生產過程中,通常會在CoC(Chip on Carrier)階段進行燒機與光電特性量測,以確保光收發器品質與信賴性。
毫米波元件測試眉角多
5G導入高頻毫米波為一大技術亮點,但高頻電波特性帶來許多技術挑戰,致茂電子副總經理蔡譯慶(圖2)說明,4G射頻模組是由SiP(Silicon in Package)方式整合不同製程技術來製作功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)、濾波器(Filter)、開關(Switch)和被動元件等;5G毫米波射頻模組為維持號完整性,將走向高度整合,5G毫米波採用波束成形(Beamforming)技術,降低PA功率發射的限制與要求,5G天線模組也因為毫米波波長變短,模組得以微縮。
圖2 致茂電子副總經理蔡譯慶說明,5G導入高頻毫米波為一大技術亮點,但高頻電波特性帶來許多技術挑戰。
在RF元件的測試上,蔡譯慶指出,目前致茂就微型接觸力(Miniature Contact Force)、射頻屏蔽(RF Shielding)、整合性測試(All...
打造輕巧便宜5G測試設備 Antenna Coupler優化暗室系統測試
5G商轉已如火如荼進行中,加速上下游通訊廠商產品方案大舉出籠,然而在推出解決方案之前,必先通過5G生產線測試以確保訊號穩定性與完整性。以目前產線測試做法通常是一台暗室系統(Chamber)搭配量測儀器,此舉不僅占空間又會墊高測試成本,為解決此困擾,森田科技(Morita Tech)祭出專有Antenna Coupler技術優化Chamber測試設計,提供小而美的生產設備加速廠商開發進程。
Morita Tech執行長森田治表示,看好台灣在基地台與電腦技術優勢,加上中美貿易戰的影響,Morita Tech近期將擴大投入於台灣市場,期能立足台灣拓展更多國際市場商機。
Morita Tech執行長森田治表示,5G毫米波(mmWave)測試對於開發商來說是一個全新的未知領域,其頻段特性、測試設備皆與4G時期完全不同。舉例來說,4G RF測試器經由銅纜、連接器與4G機器接入測試,其測定誤差小、再現性優異;反觀5G測試經由天線與5G機器相連測試,測定誤差容易受到環境影響,且再現性差。換言之,過去4G的射頻(RF)測試僅需拉一條測試線即可,但5G毫米波採取OTA測試方式,對於天線擺放位置、數量,以及天線對天線間的距離,皆會影響測試精準度問題。
事實上,3GPP對於5G機器測試推薦幾種方法,基本上,5G測試以Horn Antenna的Far Field測試為主,各公司也以此為基礎提出測試系統的提案。以Horn Antenna Far Field為測試方法最大缺點就是從Horn Antenna到待測物之間需要數公尺的距離,導致整個測試裝置體積變得非常龐大。
森田治談到,為了解決上述問題,Morita Tech研究出一項Antenna Coupler技術,優點就是可以直接貼著機器進行測試,故Chamber設計可以縮小許多。整體而言,針對5G生產測試,該公司主要是提供一套完整的解決方案,滿足電力、雜散訊號(Spurious)、誤差向量幅度(EVM)試驗、波束成形(Beam Forming)、多輸入多輸出(MIMO)、換手(Hand Over)與協定(Protocol)等測試項目,並解決5G容易受到環境干擾產生測試誤差問題。
2020年東京奧運將開始進行5G試營運舉措,推動日本全國上下積極開通5G,預期同年三月將同步發展Sub-6GHz及28GHz的毫米波建設。為了趕上東京奧運的部署,目前已有多家電信商及通訊方案供應商與Morita Tech合作,包含NTT DoCoMo、軟銀(Softbank)、KDDI、Rakkuten、夏普(Sharp)、富士通(Fujitsu)、NEC、愛立信(Ericsson)與諾基亞(Nokia)等公司。
各國積極布局5G發展,台灣在其中也扮演關鍵角色。森田治提到,中美貿易戰的延燒也為台灣帶來新的發展的契機。如銷售至美國的小基地台必須於中國以外的國家生產,相同的中國市場偏重採用自製的產品。也基於此,看好台灣在電腦與基地台的生產優勢,加上台日長期文化交流良好的因素,Morita Tech揮軍台灣市場,目前已有幾家5G毫米波的電腦及小基地台的合作計畫,預計於2020年年中量產,期能拓展美國市場。
另一方面,於中國市場Morita Tech則是鎖定5G手機的開發製造及小基地台生產技術,期能藉用日本5G網路建設經驗,與中國電信商合力架構5G網路基地台測試系統,拓展與中國電信商的合作機會。
搶攻毫米波OTA測試商機 中華精測先喊先贏
雖然美國已經開始布建5G毫米波基礎建設,但毫米波通訊其實還是一個相對不成熟的技術,且由於訊號損失極大,相關通訊元件普遍將天線整合到封裝中,使得晶片模組的最終測試必須由接觸式測試改成OTA(Over the Air)測試。OTA測試帶來新的挑戰,挑戰之所在,就是商機之所在。中華精測日前於2019 SEMICON TAIWAN展會上發表最新5G OTA半導體測試方案,正式跨入5G高頻段毫米波(mmWave)半導體測試市場,成為全球首家同時可提供5G低頻段sub 6GHz及高頻段毫米波的半導體測試介面及服務廠商。
中華精測黃水可總經理表示,目前正是5G低頻段sub 6GHz相關半導體產品進入旺季量產的關鍵時刻,中華精測身為半導體產業鏈裡製造關鍵的一環,在這期間的營運成績上亦反映出5G低頻段sub 6GHz半導體測試的暢旺需求。與此同時,中華精測在毫米波OTA測試上也同步進行研發布局,並已有成果可向業界發表,實現中華精測永遠為客戶作好準備的承諾。
中華精測總經理黃水可說明該公司在5G毫米波OTA量測上的技術研發成果。
中華精測資深研發經理黃振權博士指出,5G NR較4G LTE的傳輸速度快上3至10倍,高速的無線通訊技術將為人類的生活帶來更高品質的便利科技生活,然而,5G NR和所有的科技技術一樣皆有其技術缺口,如何在缺口上提供客戶最佳的半導體測試解決方案,正是中華精測技術的價值。
中華精測最新5G高頻段毫米波OTA半導體測試方案,運用符合國際行動通訊標準組織3GPP允許的OTA天線架構,以高頻寬的CATR技術為客戶的5G訊號進行多項有效量測。針對5G高頻段毫米波(24.25GHz~52.6GHz)的訊號具短波長易受干擾、快衰減等傳輸特性,中華精測5G高頻段毫米波OTA半導體測試方案憑藉著自有專利技術,包括高頻測試裝置及其信號傳輸模組、天線封裝積體電路測試裝置等,可提供高效能的5G訊號測試介面及服務,並維持All In House的商業模式,以符合半導體後摩爾時代快速多樣的量產需求。
中華精測展示的毫米波OTA測試解決方案。
黃水可進一步指出,在中華精測贏得5G低頻段測試商機之際,該公司同時加快腳步跨入5G高頻段測試市場。這新的里程碑,事實上是中華精測累積多年投入技術研發的成果。許多知名晶片廠、系統廠與封測廠都已經對這項方案展現高度興趣。
目前有許多測試機台業者都已經推出毫米波通訊測試機台,但因為OTA測試還有很多不確定性,因此在從測試頭(Radio Head)到待測物(DUT)這個環節,目前市場上能提供解決方案的業者還很少。具體來說,這個環節需要的測試硬體包含微波暗室(Chamber)、訊號反射裝置、自動化測試治具與訊號傳輸模組,以及測試待測物所需的軟體演算法。中華精測的OTA測試方案,則補上了這個缺口。
CATR抓得住毫米波訊號 5G OTA測試/校準真穩當
5G毫米波OTA測試勢在必行
手持行動裝置產品製造商需要確保其產品符合5G毫米波的頻率要求和OTA標準中所規範的RF性能要求,5G毫米波OTA測試驗證的項目共三項如下描述為:峰值有效無方向性輻射功率(Peak Effective(or Equivalent)Isotropic Radiated Power, Peak EIRP)、總輻射功率(Total Radiated Power, TRP)、峰值有效無方向性敏感度(Peak Effective Isotropic Sensitivity, Peak EIS)。
對於5G高頻毫米波的RF測試方法,OTA測量的方式將是驗證手持行動裝置產品在高頻毫米波的唯一測試方法,主要原因是因為頻率太高時RF的元件太小(幾乎與RF接頭的大小相同),傳導測試(Conducted Test)在量測結果會造成很大的量測不確定性。
目前被國際標準組織允許使用的毫米波OTA測試方法有直接遠場(Direct Far Field, DFF)、間接遠場(Indirect Far Field, IFF)、近場轉換到遠場(Near Field to...
推廣5G商用 毫米波技術舉足輕重
無線裝置數量與其消耗的資料量,每年都以等比級數增加(年複合成長率為 53%)。無線裝置創造並消耗資料的同時,連接這些裝置的無線通訊基礎設施也必須隨之演進,才能滿足成長的需求。3GPP所定義的三種高階5G使用案例,其目標是隨時隨地提供可用的行動寬頻資料;然而,僅僅提升4G架構網路的頻譜效率,並不足以提供所需資料速率的步進函式。有鑑於此,研究人員正在研究像毫米波這類更高的頻率,希望得到可行的解決方案。早期在通道探測作業得到正面的結果,使得世界各地的無線標準化組織皆重新調整研究重點,以了解新一代5G無線系統如何整合並運用這些新的頻率與較高的頻寬。
各個使用案例都是針對未來的無線標準所設計,藉此讓這些標準針對新應用補足既有無線標準的不足之處,而各案例都需要一組不同的全新關鍵績效指標(KPI)。IMT 2020使用案例所定義的增強型行動寬頻(eMBB),預期能達到10Gb/s的尖峰資料速率,比4G快了100倍。Shannon Hartley定理指出,容量為頻寬(即頻譜)與通道雜訊的函式,因此資料速率確實與可用的頻譜有關。由於6GHz以下的頻譜已經分配完畢,所以6GHz以上(尤其是毫米波範圍內)的頻譜,可說是因應eMBB使用案例的理想替代方案。
世界各地的電信業者為了服務客戶,已在頻譜上花費了數十億美元。拍賣訂價凸顯出頻譜這類寶貴資源的市場價值,以及供不應求的特性。開發新的頻譜讓電信業者不僅能服務更多使用者,還能提供更高效能的行動寬頻資料傳輸體驗。相較於6GHz以下的頻譜,毫米波的頻譜不僅非常充裕,而且只要稍微經過授權就能使用,因此世界各地的業者都能運用毫米波。此外,現代矽製造技術已大幅降低毫米波設備的成本,所以在價格方面,這些設備已可用於消費型電子產品。而採用毫米波所面臨的挑戰,主要在於此頻譜仍未經過完整研究,有尚待解決的技術問題。
電信業者已開始研究毫米波技術,以便評估最適合行動應用的頻率範圍。國際電信聯盟(ITU)與3GPP,已共同規劃確立5G標準的兩階段研究。第一階段研究著重於40GHz以下的頻率,以便迎合部分較急迫的商業需求。第二階段的目的是達成IMT 2020所列的KPI,並且會著重研究高達100GHz的頻率,同樣屬於毫米波的頻率範圍之內。
為統一全球的毫米波頻率標準,ITU在世界無線電通訊大會(WRC)結束後,公布了24GHz~86GHz之間的全球可用頻率建議清單(表1)。ITU提出建議不久後,美國聯邦通訊委員會(FCC)便於2015年10月21日發布了擬議規範公告(NPRM)(圖1),針對28GHz、37GHz、39GHz與64~71GHz頻帶,提出靈活的新服務規則。
圖1 擬議為行動用途的FCC頻帶
28/39/72GHz脫穎而出
目前適用於5G的毫米波頻率選項也逐漸浮上檯面:28GHz、39GHz與72GHz。這三種頻帶能脫穎而出的原因有很多。
首先,不像60GHz必須承受約20dB/km的氧氣吸收損失,這三種頻率的氧氣吸收率遠低於此數值(圖2),因此較適合長距離通訊。這些頻率也能在多路徑環境中順利運作,並且能用於非可視判讀(NLoS)通訊。透過高定向天線搭配波束賦形與波束追蹤功能,毫米波便能提供穩定且高度安全的連結。
圖2 毫米波頻率範圍的大氣吸收率(以dB/km為單位)
28GHz頻段進展快
如上所述,電信業者都急切想要取得未分配的大量毫米波頻譜;而毫米波頻譜會使用哪些頻率,這些業者將是深具影響力的關鍵要角。在2015年2月,三星(Samsung)執行了自己的通道量測,並發現28GHz的頻率可用於手機通訊。這些量測結果,驗證了都市環境中預期會發生的路徑損耗(非可視判讀(NLoS)連結中的路徑損耗指數為3.53),三星宣稱,此數據指出毫米波通訊連結可支援200公尺以上距離。該研究還包含相位陣列天線的運用。三星也開始相關設計,以便讓手機能夠容納精密的陣列天線。在日本,NTT Docomo與Nokia、三星、Ericsson、Huawei、Fujitsu合作,針對28GHz(以及其他頻率)順利完成現場測試。
73GHz頻段可用連續頻寬廣
在28GHz相關研究展開的同時,E頻帶也引起了行動通訊領域的注意。73GHz就是另一種備受矚目的毫米波頻率。Nokia運用了紐約大學的73GHz通道量測結果,開始研究此頻率。在2014年的NI Week年會上,Nokia透過NI原型製作硬體,展示了他們第一個73GHz空中傳輸(OTA)技術。這套系統隨著研究進行不斷演進,並持續透過公開示範來展示新的技術成就。在2015年的行動世界會議(MWC)上,這套原型驗證系統已能藉由透鏡天線與光束追蹤技術,執行每秒超過2Gbps的資料傳輸。此系統的MIMO版本,則在布魯克林5G高峰會議上展出,可執行高達10Gbps的資料傳輸;而在不到一年後的行動世界會議上,這套原型展示了雙向空中傳輸連結,傳輸速率超過14Gbps。
在2016年的行動世界會議上,Nokia不是唯一進行73GHz技術示範的廠商;Huewei與Deutsche Telekom也一同展示了可於73GHz運作的原型。這項示範採用多使用者(MU)MIMO,展示了高頻譜效率,以及針對個別使用者超過20Gbps傳輸率的潛力。
其中一項可用以區分73GHz與28GHz、39GHz的特性,是可用連續頻寬。73GHz中有2GHz的連續頻寬可用於行動通訊,是擬議頻率頻譜中範圍最廣的。相較之下,28GHz僅提供850MHz的頻寬;而在美國,39GHz附近就有兩個頻帶提供1.6GHz與1.4GHz頻寬。此外,如Shannon定理所述,更高的頻寬便代表更高的資料傳輸量;因此與其他上述頻率相比,73GHz具備了強大優勢,是毫米波中一種重要的頻率。
38GHz用途廣 納入5G標準成挑戰
雖然目前38GHz的公開研究資料最少,但仍有機會成為5G標準的一部分。ITU已將38GHz列於全球可用頻率清單,而且根據紐約大學的研究,已有通道資料可證明其為可用的毫米波頻率。相較於28GHz或73GHz,38GHz有更多現有用途,因此要將其納入5G標準,將是一項挑戰。FCC已針對可能的行動應用擬議頻譜,以便加速美國未來針對此頻帶的研究。
建立毫米波原型 促進mmWave技術推廣
由於毫米波通道的基本屬性與目前的手機模型不同,而且未知事項較多,因此研究人員必須開發新的技術、演算法與通訊協定,才能充分發揮mmWave在5G領域的潛力。建立毫米波原型(mmWave Prototype)非常重要,尤其是在早期階段。由於僅靠模擬是無法展示毫米波技術或概念的可行性,所以必須建立毫米波原型。毫米波原型能夠在多種情境下,透過Real-Time的空中傳輸方式執行通訊作業,可以藉此解開毫米波通道的秘密,並且促進毫米波技術的應用與推廣。
要建立完整毫米波通訊原型時會面臨多個難題。假設有一個可處理多重GHz訊號的基頻子系統。目前多數的LTE實作皆使用10MHz通道(最高20MHz),且運算量隨著頻寬線性增加。換句話說,運算能力須提升100倍以上才能滿足5G資料速率的需求。此外,毫米波原型製作須用到FPGA,才能執行毫米波系統的實體層運算。
要針對毫米波應用建立原型製作的客製硬體是相當困難的任務。由於毫米波頻率具備大量的連續頻寬,因此非常適用於通訊作業。要找到具備1~2GHz頻寬(此為5G應用所需)的現成硬體傳輸器或接收器,成本相當高昂;在某些頻率下,甚至無法找到符合這項條件的儀器。就算真的找到了這種硬體,其設定並處理原始資料的能力也有限,甚至可能毫無處理能力。因此,設計客製的FPGA處理機板,便成為深具吸引力的選擇。設計FPGA機板硬體的時間或許不需要很久,但如果還要開發與其通訊的軟體介面,就算是最有經驗的工程師,也可能需要一年(甚至更久)才能完成,這還只是毫米波原型驗證系統的一部分而已。
除了FPGA機板之外,mmWave原型驗證系統需要運用最先進的DAC與ADC才能擷取1~2GHz之間的頻寬。目前市面上,有部分RFIC具備可於基頻與毫米波頻率之間轉換的晶片,但這些產品選擇有限,且大多僅能用於60GHz頻帶。IF與RF階段可做為RFIC的替代方案,工程師一旦有了基頻與IF解決方案,供應商便能針對毫米波無線電站,提供更多基頻RFIC以外的選擇,但是選擇依然不多。開發毫米波無線電站,需要RF與微波設計的專業技術,這與開發FPGA機板所需的技術完全不同,因此團隊必須具備多種專業,才能開發出所有必要的硬體。FPGA是毫米波基頻原型驗證系統的核心元件,而要設計出能處理多重GHz通道的多重FPGA系統,將使系統更加複雜。舉例說明,為了滿足服務供應商與通訊研究人員在系統複雜度與軟體的需求,量測儀系統廠商NI提供一組可設定的毫米波原型製作硬體,以及附有原始碼的毫米波實體層,其囊括毫米波系統基頻的基本特性,並為橫跨多個FPGA的資料遷移與處理作業提供抽象化功能,簡化工作的複雜度。這些工具都是為了將新的毫米波原型整合到系統與產品內所設計,並對5G技術開發有重大影響。
為了滿足資料傳輸量的需求,使用24GHz以上的大量連續頻寬將成必要;而研究人員也已透過原型製作,展示毫米波技術可達到14Gbps以上的傳輸速率。現在尚待解決的最大問題是,行動通訊要使用哪個毫米波頻帶。ITU或許能提供助力,為5G的行動應用設置一個頻率。而開發成本的降低,以及只在手機上使用一組(而非多個)矽晶片的技術,是當前手機普及全球的關鍵原因,手機製造商與消費者也受惠於此。然而,要重新分配現有頻率,所費不貲。找到一個全球都同意使用的頻帶,是值得奮鬥的目標,但最終也可能無法達成。由於時程緊迫,各地的服務供應商選擇忽視ITU的建議,並選擇那些雖然不是全球通用,但現在就能使用的頻譜。這些服務供應商也發揮自身能力的優勢,透過現場測試製作雙向通訊連結的原型(5G開發的關鍵部分),進而讓研究人員展示這項新技術,並用更快的速度將新技術標準化。
儘管仍有許多未知的部分,未來一定會布署毫米波技術,且會以很快的速度執行。新一代的無線通訊即將登場,而全世界都在關注並觀察未來毫米波技術的應用方式。
(本文作者任職於NI)
商轉帶動產品海量上市 5G測試認證喜迎商機大潮
5G全面提升行動通訊的各項體驗,不僅技術升級,應用涵蓋層面更為廣泛,5G網路架構的特性就是彈性,以便未來可負擔更多「任務」,但彈性可調配的架構同時也讓整個網路的複雜度大增,大幅提升裝置、設備設計與測試
的門檻。另外,5G導入許多新技術,如波束成形(Beamforming)、波束追蹤(Beam Tracking)等,要發揮這些技術的真正效能,測試驗證是非常重要的關鍵。
5G系統為求提升傳輸速率,所以不斷擴大可使用的無線頻段,但主要的中低頻6GHz以下頻段使用已經非常擁擠,因此首次將觸角伸向航太、軍事使用的毫米波(mmWAVE)頻段,高頻頻譜導入商業化應用,相關技術對於科技產業來說已經不算完全陌生,但是商用與航太、軍事領域的應用特性差異頗大,也讓晶片、終端、設備等廠商面臨頭痛的技術瓶頸,須要逐步克服。
5G技術規格提升有感
5G商轉在2019年4月正式啟動,強調更快、更即時、更無縫的行動寬頻聯網體驗,過去4G LTE技術讓行動通訊進入即時影音時代LTE使用5GHz以下頻段,每個頻段20MHz,扣掉保護頻段(Guard Band),真正使用頻段15MHz,不使用MIMO或載波聚合(Carrier Aggregation, CA)等技術,每頻段傳輸速率約150Mbps,考量現實環境干擾與連線品質,一般70~80Mbps傳輸速率是正常的。
有鑑於此,5G在規格制定時,就從幾個不同的面向提升傳輸速率,羅德史瓦茲應用工程部經理林志龍(圖1)提到,目前5G第一階段使用的頻段以中低頻6GHz以下的3.5GHz為主流,每個頻段規劃100MHz,頻譜使用效率從LTE時代的90%提升到97%~99%,所以每一頻段傳輸速率可以輕鬆達到500~700MHz,目前使用第一代的5G晶片,每一路可以達到250Mbps的速率,使用四路MIMO傳輸速度就達到1Gbps了,5G傳輸速率相較4G確實可以大幅提升。
圖1 羅德史瓦茲應用工程部經理林志龍提到,5G的高門檻讓廠商的測試成本大幅提升,測試設備成本至少千萬。
而頻段利用就像土地開發,人們會從水草鮮美的地方開始開墾,6GHz以下的中低頻段,從20餘年前的2G時代開始,經過多年的發展,在進入5G時代的現在,就像是台北市的精華地段,房屋擁擠、馬路雖然四通八達但是車輛川流不息,已經很難再找到大規模的「素地」可以利用,朝向更郊區發展,雖然頻段區位不如6GHz以下,但是有大批未開發的頻段可供使用,高頻毫米波就成為5G開墾的最新處女地。
毫米波應用技術門檻高
毫米波頻段頻寬大,6GHz以下頻段規畫5MHz到100MHz的頻段劃分,毫米波則是從100MHz起跳,每一個頻段最大400MHz,可以想見傳輸速率提升將從一檔直接跳到三檔,但是毫米波訊號穩定性不佳的特色,在導入商用後以終端產品強調省電、低成本等原則下給元件設計製造商出了一個很大的難題。是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪(圖2)指出,目前毫米波的元件價格偏高,加上毫米波訊號衰減快,需要依靠高密度的小型基地台,強化訊號接收率,尤其是指向性高的波束成形遇到障礙物就無用武之地。
圖2 是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪指出,測試認證廠商已經布局5G商機多時,只待商機爆發。
過去毫米波使用在軍事航太領域時,為了克服高頻訊號衰減率高的問題,透過加大功率、使用陣列雷達讓多個天線可以將訊號疊加形成波束,強化訊號強度,宜特科技訊號測試事業處協理余天華認為,波束越集中移動性就越差,速度越快這項缺陷更明顯;毫米波技術近年導入商用,演算法與晶片設計都還不成熟,毫米波技術長處難以展現。
另外,5G頻譜的利用率要提升到97%以上,4G LTE為了避免干擾,每個頻段的兩側都保留5%的保護頻段,余天華表示,近年濾波器元件的技術已經有進步,所以無線訊號的發射頻率準確度也有提升,但是針對5G要求只保留1~2%的頻段,大部分頻段都要使用的狀況下,相鄰頻段的干擾還是很難避免,尤其是6GHz以下頻譜擁擠,鄰頻干擾更難避免。
測試認證商機爆發
5G技術難度高,不僅展現在產品設計上,對於產品測試驗證也是,林志龍說,5G的高門檻讓廠商的測試成本大幅提升,一般電子產品在設計、產品驗證與產線量產階段都有不同的測試需求,在4G時代,每個階段的測試設備一套大概是幾百萬,但5G的測試設備成本至少千萬,除了硬體的升級之外,因為5G標準還在更新,新的測試規範發布後,軟體就要更新,4G以前軟體更新都是免費的,5G軟體更新甚至需要付費。
5G目前技術尚未穩定,完整詳細的測試有助確保產品效能,6GHz以下的FR1規範相對完善,毫米波的FR2規範則還在發展中;余天華談到,整體而言,毫米波的空中傳輸(Over the Air, OTA)規範在2020年以後才會較完整,3GPP會針對標準與協定方面提出初步的測試規範,其後美國的無線產業協會(The Wireless Association, CTIA)會再發展詳細的測試方法與規範,若是產品要符合歐美電信營運商或品牌廠商的規範,又需要通過PTCRB/GCF等規範。
目前5G測試認證的高成本,也帶動另一波測試實驗室的商機,許多產品開發商無法負擔高額的測試設備,便委託測試實驗室協助,既可降低成本又可快速進入歐美主流市場。林志龍解釋,5G測試從功能面大致分成三個部分,射頻(RF)、協議與無線資源管理(Radio Resource Management, RRM)等,射頻就是要驗證元件或產品的基本無線效能表現,協議則是3GPP規範的內容,RRM是表示無線資源的分配與管理,尤其在大範圍的網路架構中,核心網路與基地台或不同基地台換手運作時的管理機制。
測試認證解決方案多元紛呈
5G除了測試設備成本高之外,測試的難度也較4G更甚,林志龍舉例,5G的FR1測試,以100MHz為頻段基礎,但也同時相容過去4G的小頻段,所以5MHz、10MHz、20MHz等都支援,目前5G網路架構大部分都是非獨立組網(Non-Standalone, NSA),混和4G與5G網路,組合頻段需要全部經過測試,不僅複雜花費的時間也長,可以想見在2019下半年到2020年,有更多5G營運商開台之後,更多5G終端產品上市,測試認證需求商機爆發指日可待。
因此,測試認證廠商已經布局5G商機多時,郭丁豪進一步說明,是德科技提供實體層到應用層測試解決方案,從元件、晶片、裝置、基地台設計與生產到電信營運商布建,都進行布局。RF元件測試方面,新的網路分析儀,最高支援至53GHz,可串連多通道,可使用在陣列天線測試與RF前端模組;晶片方面,毫米波向量訊號產生器可支援高頻毫米波且雙通道至44GHz,同時具備2GHz訊號頻寬。滿足OTA需高功率測試與波束成形所需相位同調之要求。
在裝置或基地台部分,郭丁豪提到,可透過5G多頻段向量收發器,同時滿足支援6GHz以下多通道,並能擴充至毫米波。羅德史瓦茲更發表5G NSA測試架構,該測試儀可無縫整合到現行的LTE測試環境中。其他元件、終端、系統(圖3)甚至網路效能測試方案也已布局完善,相信未來一兩年5G測試認證將跟商轉開台新聞一樣熱鬧。
圖3 5G元件到系統所需的量測方案
資料來源:羅德史瓦茲
開啟直覺人機互動新篇章 高整合140GHz雷達系統顯威
比利時奈米電子和數位科技研究與創新中心imec,5月14、15日於安特衛普(Antwerp)法蘭德斯會議中心舉辦年度科技盛會「Future Summits」,活動除邀請英特爾(Intel)技術長Mike Mayberry、益華電腦(Cadence Design Systems)執行長陳立武、微軟(Microsoft)HoloLens硬體與客製晶片副總裁Ilan Spillinger、嬌生公司全球負責人William Hait、WD執行長Stephen Milligan,以及美光科技(Micron)技術策略與營運副總裁Linda Somerville等多位產業界重量級人物分享創新科技思維與觀點外,亦展示超過50多項imec與合作夥伴共同研發的技術與應用成果,堪稱科技界最具指標性的前瞻技術交流平台。
在眾多展示成果中,採用140GHz頻段的多重輸入輸出(MIMO)雷達單晶片方案,格外令人注意,除了使用的毫米波(mmWave)頻段更高外,其採用CMOS技術高度整合多天線與收發器,實現精巧、小尺寸設計,亦是一大特點;再結合imec研發的機器學習演算法,可達到超精準解析度與高靈敏感測效能,為雷達感測在直覺式人機互動的應用發展再寫新頁。
5G/自駕車熱潮帶動 雷達感測應用前景俏
近來,隨著5G與自駕車發展日益升溫,毫米波技術的應用潛力逐漸受到產業界重視,相關研發活動與投資也不斷增加,除了聚焦在5G高頻通訊與汽車駕駛輔助系統(ADAS)的雷達應用外,利用毫米波雷達實現更多元的感測應用,亦是另一個重要發展方向。
舉例來說,德州儀器(TI)除了力推車用毫米波雷達方案外,亦積極將該技術拓展至工業自動化、智慧建築、智慧監控等其他應用領域,利用60GHz高頻毫米波雷達實現如人員計算、動作偵測、使用狀態偵測(Occupancy Detection)及生命跡象監測等應用。此外,英飛凌(Infineon)、Acconeer、Silicon Radar、NOVELIC等歐洲晶片廠,也都朝同樣的方向發展,甚至已推出基於60GHz毫米波雷達的感測方案。
事實上,目前上也有不少廠商是以24GHz毫米波雷達方案,來拓展上述非汽車ADAS應用的雷達感測市場,不過,由於業界已傳出歐洲電信標準協會(ETSI)和美國聯邦傳播委員會(FCC)決定於2022年前,逐步淘汰使用24GHz超寬頻段(Ultra Wide Band)的產品,再加上基於60GHz頻段的毫米波雷達,本質上可提供比24GHz頻段更高的感測解析度,因此不少廠商已開始往60GHz技術靠攏。
至於汽車雷達常用的77GHz頻段,若要用於工業、建築和城市基礎建設,包括那些需要人機互動的應用,在全球大多數地區都是受到限制的。
頻寬決定距離解析度 140GHz方案來勢洶洶
值得注意的是,毫米波雷達感測器的距離解析度(Range Resolution)效能與使用頻段的頻寬大小息息相關,頻率愈高頻寬也相對較大,意味著感測器距離解析度愈好,因此目前已有業者推出採用120GHz頻段的毫米波雷達感測器,而imec此次所發表的140GHz毫米波雷達系統單晶片,則是另一突破性的技術進展。
以60GHz頻段來說,根據德州儀器所提供的產品資料顯示,頻寬上看4GHz,因此基於該頻段的雷達感測器距離解析度可達3.75公分;而根據imec的規格表來看,140GHz頻段的頻寬可高達10GHz,距離解析度則可到1.5公分等級(表1),而距離解析度愈小代表雷達感測後所能獲得的點雲圖資料(Point-cloud Data)可以更密,進而達到更精準的判斷效能。
imec研發團隊負責人Andy Dewilde說明,imec長久以來在CMOS技術的開發與多天線整合設計上擁有相當厚實的能力與經驗,因此能在一個外觀尺寸只有幾平方公分的完整MIMO雷達系統下,實現1.5公分的精準解析度。而更好的距離解析度性能,可開啟更多新的應用機會,這是該公司140GHz雷達系統單晶片重要的差異化特色之一。
Dewilde進一步談到,使用140GHz頻段的另一個明顯好處是,電磁波波長更小,僅2.1毫米,換言之,天線也就可以做得很小,因而imec僅透過28奈米Bulk CMOS製程技術,即可將天線直接整合至單晶片中,毋須使用昂貴的天線模組或外部天線,達到更高整合度與小尺寸設計,且未來也可輕易藉由大量量產來達到降低成本目標。
不僅如此,高頻毫米波波長小的特性,也可偵測到更小的位移變異,如細微的臉部表情變化與皮膚運動,能顯著提升位移靈敏度,有助於生命體徵偵測等應用,因此該雷達是實現車內生命體徵監測系統極佳的方案,可促成非接觸式駕駛狀況追蹤,例如偵測駕駛有沒有打瞌睡、壓力狀況是否異常,或者預防因急性健康危害如心臟疾病或癲癇發作。另一個可能應用,是利用動作和生命體徵偵測來監測小孩狀況,例如當兒童不小心被留在車內時發出警報,即使當下是嬰兒蓋著毯子睡覺,該雷達感測器也可發揮作用。
結合MIMO/機器學習 打造直覺人機互動體驗
除了140GHz高頻毫米波頻段所帶來的技術優勢外,imec也在該款雷達晶片中,加入MIMO多天線配置與機器學習能力,從而打造直覺簡單的人機互動介面。
以手勢辨識來說,其需要最小角度解析度以便能在三度空間中擷取手勢,而提升角度解析度的一個巧妙方式,是使用多顆收發器晶片的MIMO雷達原理。Dewilde說明,MIMO是為了手勢辨識而設置,藉此可達到更精確的角度解析,以正確解讀目標物相對於雷達的方向。而訊號處理與機器學習技術亦是用來偵測和分類手勢動作,從而實現直覺式人機互動。
事實上,imec已開發出一種特定的機器學習演算法,是基於一個包含長短期記憶模型(LSTM)層的多層神經網路,並透過監督式學習方式,亦即使用超過25人的內部標籤記錄(包括針對7種不同手勢的幾次擷取記錄),來訓練推論模型。實驗結果顯示,該模型可對記錄的7種手勢進行分類,且94%的時間可正確預測手勢。
imec荷蘭雷達專案研發經理Barend van Liempd指出,藉由加入機器學習能力,imec已證明雷達基於都卜勒(Doppler)訊息來偵測和分類細微動作的可行性,這將開啟新的應用機會,如實現直覺的手勢辨識人機互動。以擴增實境/虛擬實境(AR/VR)應用來說,新的雷達方案就可支援與虛擬物件的直覺式互動,手勢辨識還可以實現直覺的裝置控制,與現今語音控制或智慧觸控螢幕的人機介面相輔相成。
據了解,imec所研發的140GHz雷達晶片方案主要適用於室內的應用,操作範圍可達10公尺,且尺寸極為小巧,單一晶片大小僅1.5×4.5mm(圖1),可在幾乎各種裝置中被無形地整合,諸如筆電、智慧手機或螢幕邊框。
圖1 imec所研發的140GHz雷達單晶片尺寸僅1.45mm×4.52mm
圖片來源:imec
imec表示,該款雷達晶片初期將用於智慧建築的人員偵測和分類、遠端汽車駕駛生命跡象監測,以及手勢辨識等應用;而更多的創新應用預期將隨著開發者的創意不斷湧現。
邁向更高整合/增強感測性能
目前imec的140GHz雷達開放創新研發合作計畫,主要係由Panasonic和Sony所支持,對該項研究有興趣的公司也可加入這項合作計畫,或另外的雙邊研發計畫,或者取得該技術功能區塊的授權。
為了增加感測數據的豐富性和空間資訊,imec已著手開發下一代採用4×4的MIMO雷達系統,以及新的雷達晶片(將採用Tx和Rx是分離的兩顆獨立晶片的設計)。這將使MIMO陣列元件在可用電路板區域的分布更有彈性。同時他們也將探索獨立的雷達晶片功能能否被增加,以實現擁有更大晶片陣列的MIMO系統。
Dewilde指出,此次在Future Summits展出的140GHz雷達系統原型(圖2),採用的是2×2 MIMO設計,所以只能做一個方向的角度偵測,下一個系統,會使用新版晶片,預計研發4×4 MIMO,有更多天線,以達到3D偵測。
圖2 imec研發團隊負責人Andy Dewilde利用imec 140GHz雷達系統原型,展示手勢辨識應用。
毫米波雷達感測有可為
與其他類型的動作感測技術相比,例如基於飛時測距(Time-of-flight,...
ADI解決方案加速毫米波5G無線網路部署
ADI今日針對毫米波(mmWave) 5G基礎設施推出新解決方案,透過目前最高的整合度可降低下一代蜂巢式網路基礎設施的設計需求和複雜性。該方案整合了ADI的先進波束成形IC、上/下變頻(UDC)和其它混合訊號電路。優化的「波束至位元」(Beams to Bits) 訊號鏈更展現了ADI的獨特能力。
ADI微波通訊部總經理Karim Hamed表示,毫米波 5G 是一項蘊含巨大潛力的新興技術。從頭開始設計這些系統極其困難,需要平衡性能、標準和成本方面的系統級挑戰。新型解決方案運用ADI的技術和在RF、微波和毫米波通訊基礎設施方面的悠久傳承、及於RF領域的深厚專業知識簡化客戶設計過程、減少總零組件數,並加速5G部署。
新型毫米波5G晶片組包括16通道ADMV4821雙/單極化波束成形IC、16通道 ADMV4801單極化波束成形IC和ADMV1017毫米波UDC。24~30 GHz波束成形
+UDC解決方案構成符合3GPP 5G NR標準的毫米波前端,可支援n261、n257 和n258頻段。高通道密度,加上支援單極化和雙極化部署的能力,使其大幅增強了針對多種5G用例的系統彈性和可重構性,而最佳的等效全向輻射功率(EIRP)則擴展了無線電覆蓋範圍和密度。ADI在毫米波技術領域的傳統優勢使客戶能利用頂尖的應用及系統設計,以針對熱、RF、功耗和佈線等考慮優化完整的產品線。