据东京工业大学与国立信息通信技术研究所的研究人员报告称，一种具有 56 GHz 信号链带宽的新型 D 波段 CMOS 收发器芯片组实现了集成电路实现的无线设备的最高传输速度 640 Gbps。该芯片组对于下一代无线系统来说前景十分光明。为了实现更快的速度并处理不断增加的数据流量，无线系统正在更高的毫米波频段运行。当前的高频段 5G 系统提供高达 10 Gbps 的速度，并在 24-47 GHz 之间的频段运行。下一代移动通信系统正在探索更高的频段。
在这个频谱中，D 波段覆盖 110 至 170 GHz 的频率，预计将在下一代无线系统的开发中发挥关键作用。虽然高频提供更快的数据速度，但它们容易受到衰减。因此，对于下一代无线系统的广泛采用，能够保持信号强度的经济高效的发射器和接收器至关重要。
最近，东京工业大学的冈田健一教授及其团队与日本国家信息通信技术研究所 (NICT) 合作开发了一种用于 D 波段的新型收发器芯片组。该芯片组采用广泛使用的 65nm 硅互补金属氧化物半导体 (CMOS) 工艺制造，使其批量生产具有成本效益。研究成果将于 6 月 16 日至 20 日在美国檀香山举行的 2024 年 IEEE VLSI 技术与电路研讨会上发表。冈田评论说：“值得注意的是，世界上最高的 640 Gbps 无线传输速率是使用低成本 CMOS 技术实现的。”
本研究介绍了一款 D 波段 (114–170 GHz) CMOS 收发器芯片组，其信号链带宽为 56 GHz。该收发器的发射机集成电路 (IC) 芯片尺寸为 1.87 mm x 3.30 mm，接收机集成电路 (IC) 芯片尺寸为 1.65 mm x 2.60 mm，其使用的组件旨在在宽频谱范围内保持信号速度和质量（参见图 1）。这些组件包括用于将信号提升到合适水平的功率放大器、用于在最大限度降低噪声的同时增强信号强度的低噪声放大器、用于将信号调整到所需频率范围的频率转换器（混频器）、用于线性化的分布式放大器以及用于将频率提高四倍的频率倍增器。
为了评估无线传输能力，研究人员将芯片组安装在 PCB 上，并将其连接到增益为 25 dBi 的外部天线。信号从通常用于 PCB 的传输线格式转换为用于无线应用中高频信号传输的波导格式，转换损耗保持在 4 dB。借助新芯片组，研究人员实现了 16QAM 和 32QAM（QAM：正交幅度调制）等多级调制方案的高线性度，解决了 IC 收发器的主要障碍。
在对 36 厘米距离处符号率为 40 Gbaud 和 32QAM 调制的调制信号进行测试时，该系统实现了 200 Gbps 的传输速度，具有高调制精度，误码率小于 10-3。此外，使用 16QAM 调制和高增益天线（增益为 43 dBi），研究人员能够在 15 米的距离内实现 120 Gbps 的速度。在具有四个发射器和四个接收器模块的多输入多输出配置中，该芯片组的性能更加令人印象深刻。在这里，每个天线都可以处理自己的数据流，从而实现快速通信。使用 16QAM 调制，每个通道的速度达到 160 Gbps。总体而言，总速度为 640 Gbps。
这些速度代表着一次重大飞跃，比目前的 5G 系统快 10 到 100 倍。Okada 总结道：“拟议的芯片组有望成为下一代无线系统，以支持自动驾驶汽车、远程医疗和先进的虚拟现实体验。”这项工作部分由日本总务省 (JPJ000254) 资助。
