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高频外围与射频信号测量认证技术与市场趋势

随着Wi-Fi/移动通信等无线射频标准,不断的提升并且迈向破GHz的超高频信号化发展,对IC设计、PCB、连接器、缆线到测量仪器供应商,以及终端产品业者而言,都是迈向高频化时代不得不面对的严酷考验…

移动设备从内而外 从有线到无线均朝高频化发展

CPU研发趋势已不强调频率而转向多核心发展,从PC到平板、智能手机等移动设备都可看出这样的趋势。由于云端运算应用、互联网移动化、视网膜4K显示画质物联网与大数据分析的潮流下,无论是x86架构的桌机、笔记本、Ultrabook到变形平板,或者走ARM架构的智能手机/平板等移动设备,仍不断的从平台架构上做时脉/频率的超高频化。

     

从内部系统汇流排,对外外围接口,以至于无线射频如Wi-Fi 802.11ac/ad、WiHD 802.15ad与3G/4G LTE等全面提升。动辄数GHz甚至数十GHz的超高频信号,无论是IC设计业者从上游选用PHY IP,传输接口/连接器与PCB材质的选项,线路设计,到高频测量信号工具仪器的选用等,都是极为严峻的考验。

PCIe汇流排发展直追光纤

从2004年英特尔主导并力推的PCI Express串行汇流排v1.0出现,以提供x1~x16线路的弹性化设计,全双工传输速率2.5~80Gbps,迅速的成为处理器与芯片组平台芯片、桥接芯片,以及高阶工作站、服务器附加卡的接口标准。

经过不少世代演进,2011~12年PCI-E 3.0(Gen3)已成主流规格,单线道(lane)传输频率已达8GT/s;而未来采16~24GT/s的PCI Express 4.0(Gen 4)规范已蓄势待发,将于2014年底最迟2015年正式定案。

与PCIe系出同源的串行实体层高频电路技术,也泛用于象是USB 3.0、Thunderbolt、SATA Express、NVM Express (SFF-8639),以及源自移动设备如手机、平板所使用的Mobile PCIe。象是PCI SIG与SATA I/O组织合作,导入针对PC/NB使用的SATA Express (SFF-8482)与NVM Express (SFF-8639)接口规格。

前者能与既有SATA 6G兼容,且提供x2 Lane,传输带宽扩大到2GB/s;后者则应用于高效能工作站/服务器,提供x4 Lane,传输带宽拉高到4GB/s,并与既有的SATA 6G、SAS、SATA Express接头兼容。

PCI SIG甚至提出OcuLink的外接接口,以铜轴/光纤缆线作为传输材质,同样提供PCIe 3.0 x4 Lane的界面规格,传输速率可达32Gbps(4GB/s),可作为通讯机台/网络连接装置等外接以太网络接口的新选择。

有线影音线材/连接头的高频化

2013年9月HDMI 2.0,输出带宽提高到18Gbps,支持双屏幕、21:9超宽比例,以及3840x2160/4096x2160p60等4K格式项。支持HDMI 2.0的4K UHD电视与相关影音设备,预计2014年下半问世。

而由Nokia、三星、晶鐌、索尼与东芝等大厂建立MHL(Mobile High Definition Link)接口联盟,在手机与电视端各加一组MHL收发芯片,以既有的microUSB连接线,传输手机的HDMI信号到电视。目前MHL 2.0提供1080p HD/8声道的影音内容,支持HDCP、3D画面并可藉由电视来为手机充电,未来MHL 3.0将支持到4K UHD的分辨率。

Display Port (DP)显示埠接口是视讯电子标准协会(VESA)于2006年5月所发表的数码式视讯接口标准。它无须任何授权金,具备多屏幕输出能力,且传输带宽比HDMI还高,也被广泛纳入各显卡、集成型芯片组甚至被融入Thunderbolt汇流排规格的协定层内。许多高阶显卡同时支持HDMI与DisplayPort两种显示规格,并提供适当的转接头。

而Intel于2011年发表DP+PCI Express+GP I/O三合一的ThunderBolt汇流排,双向传输速率为10Gbps,使用miniDP Port的连接头,铜轴或光纤(100公尺)两种连接线方式,连接最多6个Thunderbolt外围。

除苹果MacBook Pro产品外,另外也有少数厂商笔记本、AIO一体机支持。2013年Q1 Intel宣布Thunderbolt 2.0,传输速度提升到双向20Gbps并支持4K输出,向下兼容Thunderbolt 1.0。相关产品预计2014底面市。

即将于2014年底亮相的USB 3.1,将追加A/V独立带宽、Type-C新型态连接头与倍增为10Gbps的联机速率,以低成本与既有外围兼容性之姿,挑战外围速率霸主的Thunderbolt。

无线网络与移动通信技术演进趋势

于2014年1月正式定案的802.11ac规格,以较少干扰的5GHz(从4.9~6.0GHz)射频频段,OFDM正交分频多工、QAM256载波调变以及波束成型(Beamforming)技术,传输速率达到1.3Gbps(3天线/3资料串流)~7Gbps(8天线/8资料串流/160MHz),足可实时传输高清影音(Full HD)甚至4K(3840x2160)影音串流规格。

802.11ac也被跟2.4/5GHz 802.11n向下兼容能力,当网卡无法查找到5GHz频段以802.11ac最高速连接时,会切回5GHz甚至2.4GHz以802.11n联机模式进行无线传输。

至于60GHz超高频无线技术,有2006年WirelessHD(后来更名为WiHD)以及2009年WiGig两大联盟的竞逐。前者联盟成员有博通、英特尔、乐金、NEC、松下、索尼、三星、东芝、SiBEAM与Philips,SiBEAM是唯一的射频芯片供应商,后来被晶鐌(SiliconImage)所购并。WiHD以60GHz频段、IEEE 802.15.3c规格为基础,传输速率10~28Gbps。

WiGig联盟成员有英特尔、超微、博通、思科、Qualcomm/Atheros、Marvell、联发科、WiLocity、NEC、微软、NOKIA、辉达、Panasonic、三星与东芝等,以IEEE 802.11ad规格为基础,传输速率达7Gbps。

但WiGig已成功的与Wi-Fi联盟的2.4GHz 802.11b/g/n、5GHz频段的802.11ac集成,达到三频(2.4/5/60GHz)多模共享的境界。Wilocity于2014年2月发布28纳米制程的802.11ad WiGig芯片,于第3季起开始送样。

至于移动通信标准部分,2005年英特尔与诺基亚合推WiMax (IEEE 802.16e),从2007年起陆续在美国、澳洲、日韩、台湾以及非洲新兴国家布建;LTE (Long Term Evolution长期演进技术)则是3GPP协会以UMTS/WCDMA、HSDPA/HSPA+所制定的过渡性规格。两者均根基于OFDM调变技术,融入IP封包传输、可调整带宽、连接适配性与多天线(MIMO)技术。

由于WiMax电波在室内渗透率不佳,而LTE仗著规格确立、既有2G/3G设备机台升级优势与众多电信营运商的支持,2010年起陆续于大陆、香港、日本、韩国、美国等地开始商业化营运,2010年中Intel裁撤WiMAX部门,至此4G规格底定由LTE胜出。各地WiMAX营运商纷纷转向LTE,或寄望藉由未来配备升级到TD-LTE的方式来因应。

4G移动设备须具备CDMA/LTE、GSM/UMTS/LTE、UMTS/LTE、GSM/WiMAX、WiMAX等各种工作模式,也需要能在700/900MHz、1.5~1.9GHz、2.1~2.6GHz、3.3~3.5GHz等全球频谱下操作,并确保跟Wi-Fi、BT-FM、GPS、NFC与其它无线规格的连接性。

从IP、PCB到线材/装置验证的超高频挑战

目前在8/16/25Gbps超高频SerDes实体层IP部分,象是Gennum公司已着手开发32Gbps SerDes串行解串器的实体层线路IP(Snowbush IP),后来被瑞士商升特(Semtech)买下,成为其PCIe 3.0与高速网络IP的推广利器;台湾创意电子(GUC)也掌握10/25Gbps SerDes PHY IP技术。

新思科技(Synopsys)提供DesignWare电路自动化设计软件,可以进行16Gbps PHY的设计验证作业。爱德万测试(Advantest)开始提供半导体业界针对16Gbps高频的数码测量?。

在USB 3.0、SATA、PCIe 3.0、Thunderbolt、HDMI、DP等高频信号,以至于预留未来PCIe 4.0、USB 3.1、Thunderbolt 2.0接口的测试验证上,目前像安捷伦(Agilent)、太克(Tektronix)、美商国家仪器(NI)、罗德史瓦兹(R&S)等均提供串行信号产生器、错误码分析仪等组合,来协助业者进行8/16/25/32Gbps与无线射频测量方案,安捷伦更备妥60GHz 802.11ad/WiHD超高频信号的测量与验证解决方案。

无线射频部分,艾法斯(AeroFlex)则推出符合3GPP Rel8~Rel11(LTE/LTE-A)规范的TM500、EAST500准基地台测试系统。供OEM/ODM或实验室机构做终端产品OTA (Over the Air)电磁测量。

在台湾有耕兴(Sporton)的新竹实验室,提供包含WiMax、4G LTE、WiHD/802.11ad/WiGig之测试,台湾检验科技(SGS)则提供4G LTE、WiFi 802.11a/b/g/n与ICT产品电磁兼容测试(EMC)。必维国际集团香港商立德国际(Bureau Veritas ADT;BV ADT)也提供全球WiMAX、LTE测试认证服务。

百佳泰(Allion)于2013年6月成为Wi-Fi CERTIFIED ac认证计画的认证测试实验室(ATL),并提供HDMI、DP、MHL、USB-IF USB3/3.1、SATA、SAS等连接器、缆线等规格认证与电气特性检验服务。

   
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