高频发射器在光通信、毫米波和混合通信系统中的设计

引言

通信系统的发展一直朝着更高数据速率、更低功耗和更强稳健性的方向推进。在这一发展过程中，两项关键技术脱颖而出：光通信和毫米波(mmWave)无线通信。这两种技术都提供了独特的优势，同时在高频发射器设计中面临独特的挑战。本文将探讨香港科技大学光无线实验室和集成电路设计中心在光通信、毫米波和混合通信系统高频发射器设计方面的最新研究进展[1]。

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通信系统演进

有线通信从电气到光学的演变：有线通信系统逐渐从传统的电气链路向光学解决方案发展，以满足不断增长的带宽需求。这一演变主要受不同技术的距离-数据速率乘积(DDP)限制所驱动。

电气链路虽然成本低，但损耗高且带宽低，将其DDP限制在100 Gb/s·m以下。随着数据速率的增加，电气互连在几厘米以上距离的应用中变得越来越不切实际。

多模(MM)光链路提供了显着改善的性能，功耗更低、损耗更小，支持的DDP范围在100 Gb/s·m到4000 Gb/s·m之间。然而，它们仍然面临模式色散和非线性问题的挑战。

单模(SM)光链路代表了性能最高的级别，提供低损耗、高带宽和最小色散。虽然成本较高，但它们支持超过4000 Gb/s·m的DDP，使其成为长距离、高数据速率应用的理想选择。

图1：从2002年到2032年有线互连技术的全面路线图，展示了从铜缆到光学技术在各种应用领域的发展过程。

无线通信从射频到毫米波的演变：无线通信同样从传统射频频段向毫米波波段发展。这一转变主要是由5G应用的带宽需求推动的。

增强型移动宽带(eMBB)单独就需要约4.5 GHz频谱，而固定无线接入(FWA)和企业网络应用分别需要额外的350 MHz和150 MHz。总共，这些应用创造了约5 GHz的频谱需求，常规的6 GHz以下无线电技术无法满足。

毫米波频段通过提供更宽的带宽解决了这一挑战。在28 GHz频段，20%的分数带宽转化为5.6 GHz的可用频谱——足以满足5 GHz的需求。此外，毫米波技术可实现数十Gbps的数据速率，尽管在长距离传输时仍面临信噪比(SNR)限制的挑战。

图2：5G频谱需求在不同应用间的分布，以及毫米波技术满足5 GHz总频谱需求的必要性。

从单元素到相控阵：为了克服与毫米波频率相关的显着自由空间路径损耗，现代无线系统已从单元素设计发展到相控阵收发器。

相控阵提供了几个关键优势：

• 通过波束形成增益提高SNR，实现更远距离下更高的数据速率。较低的旁瓣减少了与其他通信系统的干扰。此外，相控阵支持空间分割复用，允许在不同方向上同时传输多个数据流。
  
  

• 相控阵的发展趋势指向更高频率(Ku、K、Ka和V波段)和更多元素(阵列中最多达256个)。然而，这些进步带来了功耗、面积效率和精确相位及增益控制相关的挑战。随着元素数量的增加，大功率和面积消耗变得特别成问题。此外，相位和增益控制的精确度不足会降低阵列的波束形成性能，限制其有效性。
  
  

图3：不同相控阵配置的性能比较，展示了多元素如何克服距离限制并实现毫米波频率下更高的数据速率。

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光学发射器设计

基于VCSEL的发射器挑战：垂直腔表面发射激光器(VCSEL)由于成本低和易于集成而广泛应用于光通信系统。然而，基于VCSEL的发射器面临与非线性电光(E/O)转换特性相关的重大挑战。

偏置电流与E/O增益的关系提出了一个基本挑战：随着偏置电流增加，E/O增益减小(GB > GM > GT)。这种反比关系创造了扭曲多电平信号的非线性转换特性。同时，偏置电流和带宽表现出正相关：更高的偏置电流增加带宽(BWB < BWM < BWT)，在增益和带宽之间创造权衡。此外，上升和下降时间不对称(TRISE < TFALL)导致额外的信号失真，特别是在多电平调制方案如PAM-4中，导致不均匀的眼图开口和增加的误码率。

这些非线性表现为输出光信号中的不均匀电平间距，损害信号完整性并降低通信系统的有效数据速率。传统均衡技术难以补偿这些非线性，需要更复杂的方法。

图4：VCSEL的非线性E/O特性，显示增益和带宽如何随偏置电流变化及其对信号完整性的影响。

提出的发射器架构：为了解决这些挑战，研发了一种三切片架构，可以补偿VCSEL的非线性。该设计包含顶部切片、中间切片和底部切片，每个切片都具有可调增益和非对称均衡。通过对每个切片应用不同的均衡设置，该架构创建了预失真发射器输出，当通过VCSEL的非线性特性时，产生线性化的光输出。

预失真方法通过在电气域引入受控失真，战略性地补偿VCSEL的非线性E/O转换。每个切片中的可调增益允许精确校准信号幅度，而非对称均衡补偿了VCSEL特有的不同上升和下降时间。这种复杂的补偿方案能够生成具有一致电平间距和时序的均匀PAM-4眼图，显着改善信号完整性。

图5：概念性发射器架构，其多切片设计预失真信号以补偿VCSEL非线性，产生干净的输出信号。

架构实现：发射器的实际实现包括几个关键功能模块，组织为数据路径、时钟路径和光接口组件。

数据路径特点是2抽头前馈均衡器，预处理信号以补偿信道特性。Gm单元合并的连续时间线性均衡器(CTLE)提供额外的频率相关补偿，而预加重电路专门解决时序不对称问题。这些组件共同创造了复杂的预失真，必要以抵消VCSEL非线性。

时钟路径包含一个宽带锁相环，产生具有低抖动的稳定定时信号。带有级联可变控制延迟线(VCDL)的时钟树在保持信号完整性的同时，将这些信号分布到电路的各个部分。这种精确的定时控制对于准确的多电平调制至关重要。

光接口使用线键合的阳极驱动VCSEL将电信号转换为光输出。这种实现方式实现了优异的性能，同时保持合理的功耗，使其适合于数据中心和短距离光互连的实际应用。

图6：发射器架构的详细实现，包括数据路径、时钟路径和光接口中的各个模块。

测量结果：对实现的发射器进行的综合测试表明，通过逐步改进均衡，性能显着提高。评估了四种配置，每种配置代表不同级别的补偿复杂性。

基线配置(a)禁用均衡且使用相等切片增益，显示性能不佳，眼图开口有限且水平偏斜显着。在配置(b)中启用均衡但保持相等切片设置，显着改善了信号质量，平均子眼高度从12.12 μW增加到39.79 μW，水平偏斜从4.76 ps减少到1.89 ps。

配置(c)的进一步改进引入了分段调谐的切片增益，同时保持相等切片均衡，带来平均子眼高度(44.44 μW)和电平不匹配比率(89%)的额外改进。最复杂的配置(d)，同时采用分段调谐的切片均衡和增益，实现了最佳总体性能，平均子眼高度为45.46 μW，子眼宽度为7.99 ps，电平不匹配比率为90%，水平偏斜为1.77 ps。

这些结果证实了所提出架构在补偿VCSEL非线性方面的有效性，为下一代光通信系统实现高质量PAM-4传输。

图7：不同均衡器配置的眼图测量结果，展示了随着补偿技术变得更加复杂而获得的信号质量逐步改进。

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毫米波相控阵发射器设计

毫米波相控阵发射器面临的挑战：当前毫米波相控阵发射器设计面临几个重大挑战，限制了其在实际系统中的广泛部署。

功率和面积效率呈现基本权衡，大多数设计难以同时实现高输出功率和紧凑尺寸。这些参数之间的关系通常遵循反比趋势，难以同时优化两个指标。集成水平代表另一个挑战，因为许多设计缺乏完全集成的锁相环(PLL)，需要外部频率生成，增加了系统复杂性和成本。

相移和增益控制正交性构成了一个重大技术障碍。非正交控制意味着调整相位会导致不需要的幅度变化，而调整增益会引入相位误差。这种相互依赖使校准复杂化并降低波束形成性能。此外，在毫米波频率下实现高相移分辨率同时保持低RMS相位误差仍然具有挑战性，限制了波束可以被引导的精度。

解决这些挑战需要创新的架构方法，从根本上重新思考如何在毫米波相控阵中实现相位和增益控制。

图8：最先进毫米波发射器的比较，功率效率与每元素面积的关系，突出当前设计中的权衡。

图9：当前设计中的正交性挑战，VGA引起的相位误差与相移引起的增益误差的关系。

提出的架构：为了解决已识别的挑战，开发了一种带有IFLO(中频本地振荡器)相移和IF VGA(中频可变增益放大器)的滑动中频架构。这种方法比传统的直接射频或本振相移方法提供了几个关键优势。

该架构围绕22.4 GHz的RFLO(射频本地振荡器)，通过无电感缓冲器分布在整个芯片，减少面积消耗同时保持信号完整性。这个RFLO被4分频创建5.6 GHz的IFLO，用于相移操作。IFLO的相对较低频率使相位控制更精确，与直接射频相移相比功耗更低。

最终28 GHz的射频信号通过混合22.4 GHz的RFLO与相移后的5.6 GHz中频信号生成。这种方法有效地分离了相位和增益控制功能，允许它们正交操作而不互相干扰。该架构本质上支持单个芯片上的四个发射元素，输入信号为MHz级基带和参考频率，简化了电路板级缩放和集成。

图10：提出的滑动中频架构的方框图，包括IFLO相移、IF VGA和射频混频级。

实现和结果：提出的毫米波相控阵发射器在40 nm CMOS工艺中实现，在几个关键维度获得了显着的性能指标，推进了技术水平。

完整的芯片尺寸为1.3 × 2.1 mm²，每元素核心面积约为0.48 mm²。这种紧凑的足迹与竞争设计相比显着提高了面积效率。值得注意的是，实现包括片上本振生成——这是竞争设计中经常省略的特性，依赖外部信号源，使比较更加有利。

性能测量显示行业领先的功率效率约为25%，显着高于大多数竞争设计。相位和增益控制系统表现出卓越的正交性，VGA引起的相位误差和相移引起的增益误差最小。这些特性使波束形成精确，校准开销最小。

通过辐射图案测量验证了波束引导能力，证实了能够以高精度将波束引导到多个方向。这种紧凑尺寸、高效率和优异波束形成性能的结合使设计处于毫米波相控阵发射器技术的前沿。

图11：相控阵发射器的芯片显微照片和测量设置，显示了完整的测试环境，包括射频探测和天线集成。

图12：将实现的设计与最先进的替代方案进行比较，突出其优越的功率/面积效率和正交相位/增益控制。

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用于卫星通信的混合光+毫米波系统

混合系统的动机：混合光和毫米波通信系统结合了两种技术的优势，实现了强健的高速链路，特别有利于卫星通信。这种方法解决了单独使用每种技术时的基本限制。

光无线链路提供出色的数据速率，通常在数十Gbps范围，具有高频谱效率和最小干扰。然而，它们受到大气条件如云层、雾和湍流的显着影响，这些因素可能完全阻断光路或降低信号质量。相比之下，毫米波链路提供相对较高的数据速率(高达10 Gbps)，对天气和大气条件具有更强的稳健性，尽管不能匹配光系统的峰值数据速率。

通过将两种技术集成到统一的通信系统中，卫星可以在各种环境条件下保持连接。当大气条件良好时，系统利用高速光链路实现最大吞吐量。当条件恶化时，系统可以无缝过渡到更强健的毫米波链路，确保以降低但仍然可观的数据速率持续通信。这种混合方法对低地球轨道(LEO)卫星星座特别有价值，在这种情况下，在不同条件下保持可靠的高速链路对全球覆盖至关重要。

图13：用于卫星应用的混合光和毫米波通信系统的概念，显示了两种技术的互补能力。

自适应通信场景：混合系统通过四种操作场景适应性地响应变化的信道条件，每种场景代表不同级别的环境挑战。

在良好的信道条件下(情况1)，光和毫米波链路同时运行，光链路利用高阶调制(16-QAM或更高)最大化数据吞吐量。随着条件开始恶化(情况2)，光链路降级为更简单的PAM-4调制方案以保持连接，而毫米波链路继续正常运行以提供额外带宽。

当大气条件进一步恶化(情况3)，光链路完全被阻断，迫使所有通信仅依赖毫米波链路。在这种情况下，毫米波链路采用16-QAM或更高调制以最大化可用带宽。在最具挑战性的环境条件下(情况4)，即使毫米波信号也经历显着衰减，需要降级到强健但低带宽的QPSK调制以维持基本通信链路。

这种自适应方法确保在各种环境条件下持续通信，基于实时信道质量评估动态平衡数据速率和稳健性。调制方案和通信技术之间的无缝过渡实现了无服务中断的可靠操作，这是卫星通信系统的关键要求。

图14：四种不同信道条件下的操作场景，说明系统如何动态适应光和毫米波链路之间的调制方案。

系统架构：混合光和毫米波系统架构集成了多个专门的子系统，能够在通信模式之间无缝操作。每个卫星或地面站终端都包含平行的光和毫米波通信链，具有复杂的协调机制。

光收发器采用激光器阵列(LD Array)进行发射和光电检测器阵列(PD Array)进行接收。这些组件与EDFA(掺铒光纤放大器)和透镜系统接口，增强了自由空间传输中的光功率和方向性。设计优化了光路径以实现最大效率，同时保持与整体系统架构的兼容性。

毫米波收发器包含一个天线阵列，使波束形成增加增益和方向性。复杂的相位和增益控制线路允许精确的波束引导，以保持移动卫星之间的连接。这个子系统与光收发器并行运行，共享一些公共组件，如用于频率生成的PLL(锁相环)。

专用的决策逻辑线路连续监控来自两个通信路径的接收信号质量，动态确定最佳链路配置和调制格式。这种智能控制系统实现了对变化信道条件的实时适应，无需外部干预。整个系统与负载IC接口，处理数据处理、协议实现和系统管理功能，确保所有通信模式的无缝操作。

图15：混合光+毫米波通信系统的详细架构，包括终端配置和两种技术的信号路径。

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光无线收发器设计

光无线组件采用复杂的相干收发器架构，具有可重构的调制能力，以应对不同的信道条件。这种灵活性对于在大气条件变化时保持最佳性能至关重要。

发射器包含多个马赫-曾德调制器(MZM)以嵌套配置排列，带有热控制元件，精确调整光路径之间的相位关系。通过控制这些相位关系，系统可以动态切换不同的调制格式。设置θ1-θ2为π/2使能N-QAM方案，如良好条件下的16-QAM，以获得最大频谱效率，而设置θ1=θ2则允许使用PAM-N方案，如信道质量下降时的PAM-4，以提高稳健性。

发射器和接收器中的EDFA组件增强了光功率，延长了自由空间链路的有效范围。接收器包含一个光混合器，将接收信号与本地激光源相干混合，实现相位敏感检测。跨阻放大器(TIA)将光电检测器输出转换为电压信号，然后由可变增益放大器(VGA)放大，然后进行数字处理。

这种先进的光收发器设计实现了高数据速率，同时保持适应变化大气条件的能力，这对可靠的卫星通信至为重要。

图16：具有可重构调制能力的光无线收发器架构，显示光调制器、MZM实现和接收器结构。

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结论

光通信、毫米波和混合通信系统高频发射器的发展代表了通信技术的重要进步。引用的文献探讨了几种创新方法，解决这些高频系统固有的挑战。

具有先进非线性补偿技术的基于VCSEL的光发射器展示了克服这些成本效益高的光源固有限制的潜力。通过采用复杂的预失真技术和三切片架构，这些发射器尽管VCSEL具有非线性特性，仍然实现了高质量的PAM-4调制。基于MZM的光发射器和分布式架构进一步扩展了光通信的能力，使更高带宽和更复杂的调制方案成为可能。

本文提出的毫米波相控阵发射器设计通过创新的滑动中频架构实现了行业领先的功率和面积效率。通过在中频而非直接在射频执行相移，这种方法以更低的功耗实现了更精确的控制。正交相位和增益控制机制消除了不需要的交互，简化校准并改进波束形成性能。

卫星通信的混合光无线-毫米波系统可能最具前景，它结合了两种技术的优势，在不同环境条件下实现强健的高速链路。这种自适应方法通过基于实时信道质量评估在光和毫米波链路之间无缝过渡，确保持续连接。

随着这些领域的研究继续推进，可以预期发射器效率、集成密度和自适应能力将进一步提高。这些发展将在实现下一代通信系统方面发挥关键作用，应用范围从数据中心互连到全球卫星网络。

参考文献

[1] C. P. Yue, "High-Frequency Transmitter Design for Optical, mmWave and Hybrid Communication System," in 2025 International VLSI Symposium on Technology, System and Applications (VLSI-TSA), Hsinchu, Taiwan, April 21-24, 2025.

END