Ioan BurciuIoan BURCIU

11/04/2012

Backhaul

Les possibilités du 60GHz

2

Receiver

Projet WIATIC (Electra2010) Liaisons point à point

Haut Débit

Courte portée

Fréquence Porteuse 60GHz

Architecture: Dimensionnement & Evaluation Performances

Conception Electronique : IBM SiGe BiCMOS 130n

Choix et Approches

AgendaTransmissions

Radiofréquence @ 60 GHz

Implémentations: Architectures & Performances

60 GHz vs 40 GHz

Perspectives

460GHz | Radiocommunications @ 60GHz

20 40 60 80 100

16

12

8

4

1 10 100

1000

1

10

100

Fréquence (GHz)

Atté

nuat

ion

(dBm

/km

)

Fréquence (GHz)

Atté

nuat

ion

(dBm

/km

)

Pic d'absorption de l'oxygène

Absorption due à la pluie

60 GHz

7 GHz de bande passante

560GHz | Conception Electronique « DELICATE »

Fuites vers le soustrat

Capacités parasites

Lignes de connexion

NF P1dB Bruit de Phase

Composants

CAO

660GHz | Radiocommunications @ 60GHz

Capacité = BW * log2( 1 + S/N )

60 GHzAWGNPAU

CPHY

LNA

DC

PHY

S/N = P1dB + GantTX + AttenuationCanal + GantRX – NF – PBruit/BW

Bruit de Phase élevé @ 60GHz

AgendaTransmissions

Radiofréquence @ 60 GHz

Implémentations: Architectures & Performances

60 GHz vs 40 GHz

Perspectives

8Implémentations | Première Approche

[CMOS] T. Mitomo et al, ”A 60-GHz CMOS Receiver Front-End With Frequency Synthesizer”, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 43, NO. 4, APRIL 2008.

Figure de Bruit

9,39

Bruit de Phase

-90 dBi/Hz @ 1MHz

LNA

DC

PHY

Gain élevé

&NF ~ élevé

Pertes de conversion élevées

&NF élevé

VCO @ 60GHzBruit de Phase élevé

Première Approche : Instinctive

9Implémentations | Axes d’Optimisation

AWGNPAUC

PHY

LNA

DC

PHY

Axes d’OptimisationComposants Hyperfréquence Architecture

Transitions -> Pertes -> NF OL-> DC-> Bruit de Phase VCO

PA -> P1dB Dimensionnement RX -> NF

Antennes -> Gain MIMO -> Diversité Spatiale

Résonateurs -> Bruit de Phase VCO Traitement numérique -> P1dB; Egalisation ...

10Implémentations | Bruit de Phase: Approche IBM

Figure de Bruit

7,31

Bruit de Phase

-103,45 dBi/Hz @ 1MHz

[IBM] S.K. Reynolds et al, ”A Silicon 60-GHz Receiver and Transmitter Chipset for Broadband Communications” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 41, NO. 12, DECEMBER 2006.

ADC

ADC

LNA

x3

90°

PLL 17,5GHz

/2

+20log10(3)

-98 to -102 dBc/Hz @ 1MHz

-100 to -106 dBc/Hz @ 1MHz

MULTIPLIEUR de FREQUENCE

11Implémentations | Figure de Bruit: Approche LAAS

Figure de Bruit

5,32

Bruit de Phase

-103,45 dBi/Hz @ 1MHz

LNA

PLL 20GHz

ADC

ADC

90°

PLL 1GHz

CMOSRF

Filter LNA Mixer IFVGA

Gain -0,9 13,7 8,2 21,6Figure de bruit 0,9 7,8 14 3,2

IBMRF

Filter LNA Mixer IFVGA

Gain -0,9 20 9 21,6Figure de bruit 0,9 6,2 13,3 3,2

WiaticRF

Filter LNA Mixer IFVGA

Gain -0,9 15 -4 21,3Figure de bruit 0,9 4,2 4 3,2

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.009.39

7.31

5.32

CMOS

IBM

WiaticNF

Glo

bal (

dB)

MELANGEURS PASSIFS

12

PHY Tx

PHY Rx

Front-End Tx

Front-End Rx

Calcul BER

Implémentations | Modélisation RX @ 60 GHz

Couche Physique

OFDM-512 Subcar

Mod 64QAM

BW = 1GHz

13

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

0.002

0.02

0.2

CMOS

IBM

Wiatic

Ideal

SNR@reception antenna

BER

Implémentations | Evaluation BER vs SNR

Tripleur & NF

Mélangeur Passif

Couche Physique

OFDM-512 Subcar

Mod 64QAM

BW = 1GHz

14Implémentations | Modélisation lien @ 60 GHz

PHY Tx

PHY Rx

Front-End Tx

Front-End Rx

Calcul BER Canal

Couche Physique

OFDM-512 Subcar

Mod 4QAM

BW = 1GHz

AntenneWIATIC: 15dBi

(90°)SOTA: 30dBi (4°)

PA P1dBWIATIC: 15 dBmSOTA: 30 dBm

AntenneWIATIC: 15dBi

(90°)SOTA: 30dBi (4°)

Atténuation CanalPathLoss:68+20log(dista

nce)Pique O2: 16dB/km

Pluie: f(distance, débit)

15

40 50 60 70 80 90 100

0.00002

0.0002

0.002

0.02

0.2 CMOS

IBM

Wiatic

Distance Tx - Rx (metres)

BER

Implémentations | Evaluation BER vs Distance Tx-Rx

Couche Physique

OFDM-512 Subcar

Mod 4QAM

BW = 1GHz

AgendaTransmissions

Radiofréquence @ 60 GHz

Implémentations: Architectures & Performances

60 GHz vs 40 GHz

Perspectives

60GHz vs 40GHz | Chaîne de Transmission 17

AWGNPAUC

PHY

LNA

DC

PHY

S/N = P1dB + GantTX + AttenuationCanal + GantRX – NF – PBruit/BW

PtP 40GHzPtMP

40GHzPtP 60GHz

PtMP 60GHz

Largeur de Bande 3 GHz 7 GHz

Atténuation @ O2 0.5 dB/km 16 dB/km

Débit de la Pluie 25mm/h

TH Antenne Gain/Ouverture 30dBi/4° 16dBi/90° 30dBi/4° 16dBi/90°

NTE Antenne Gain/Ouverture 30dBi/4°

P1dB (dBm) 30dBm

NF 4 dB 8 dB

60 GHz 40 GHz

60GHz vs 40GHz | Capacité vs Couverture 18

Capacité = BW * log2(1+S/N)

100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

20

40

60

80

100

12060GHz PtP

60GHz PtMP

40GHz PtP

40GHz PtMP

Distance (m)

Capa

cité

Sha

nnon

(G

bits

/sec

)

PtPPtMP

19

Multiplieurs de Fréquence

60GHz vs 40GHz | Bruit de Phase

Qualité Eléments Résonants @ 60GHz

PLL 20GHz

S

x2 x3

40 GHz 60 GHz

PN@20GHz+6dBi

PN@20GHz+9dBi

60 GHz 40 GHz

60GHz vs 40GHz | Capacité vs Couverture 20

BRUIT de PHASE

100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

20

40

60

80

100

12060GHz PtP

60GHz PtMP

40GHz PtP

40GHz PtMP

Distance (m)

Capa

cité

Sha

nnon

(G

bits

/sec

)

PtPPtMP

AgendaTransmissions

Radiofréquence @ 60 GHz

Implémentations: Architectures & Performances

60 GHz vs 40 GHz

Perspectives

40GHz & 60GHz | Perspectives d’Evolution 22

Oxygène

Electronique

Pluie

Bande Passant

e7 GHz

Oxygène

Electronique

Pluie

Bande Passant

e7 GHz

Composants

CAO

Q&A

VCO à base de MEMS( P. Vincent et J. Verdier)

Parcours personnel

Architecture de récepteurs radiofréquence dédiés au traitement bibande simultané

( C.Barbier et G. Villemaud)

Transmissions radiofréquence 60 GHz( T. Parra et E. Tournier)

VCO 60 GHz( M.Sanduleanu et B.Allard)

2005

2006

2010

2012

2004

Transmissions radiofréquence 40 GHz( F. Magne)