通信技术发展与集成电路和集成光路

2009-09-29 11:16:25来源: 电子设计应用

  当前无线通信技术的几个热点是:第三代移动通信(3G)、移动因特网、“蓝牙(Bluetooth)”和无线局域网(WLAN)等。

  集成电路对无线通信的影响是巨大、深远和关键的。一个很具体的实例就是软件无线电(Software Radio)的应用。目前,无线通信领域存在着以下主要矛盾:首先,新的通信体制和标准不断被提出,通信产品的生命周期在缩短、开发费用在上升;其次,各种通信体制并存,对多种体制间的互联要求日趋强烈;第三,频带更加拥挤,要求更高的频带利用率和抗干扰能力。软件无线电尽可能地把无线及个人通信功能用软件来实现,以可编程的通用DSP芯片和可编程逻辑器件取代专用集成电路,使系统中的专用硬件含量下降,提高系统设计的灵活性、兼容性和可升级能力。例如,快速发展的城市建设会导致无线网络的特性变坏,虽然传统的网络优化方法可以改善网络的性能,但是尽管花费了很多人力和财力,还是很难获得满意的结果。采用软件无线电技术,则可以随时监控无线网络的性能,适时对网络进行升级,保证网络的优化性能。显然,软件无线电技术需要具备强大数字信号处理能力的硬件DSP芯片平台作支持,通过在DSP芯片上运行不同的软件来支持多种通信体制,提高系统的兼容性和可升级能力。可以预见,具备并行浮点运算能力的DSP芯片将会取代定点DSP芯片,以适应通信领域高精度、大动态范围、大运算量、日益复杂的数据处理要求。

  另外还有其它无线通信协议,如IEEE802.11、SWAP、IrDA、“蓝牙”等技术提供了将移动电话、笔记本电脑、便携式信息终端、便携式游戏机和数字照相机等各种各样的设备用无线方式连接起来的接口。

  另外一类值得注意的无线接入技术是WLAN。此技术将手机、PDA和笔记本电脑连接起来,利用业已存在的、覆盖优良的GSM网络或CDMA网络将其接入Internet,随时随地向用户提供电子邮件、网页浏览等窄带数据服务。大量的数字家电产品(如MP3、网络音频点播器等)也可以通过这种方式下载信息或实现远程控制。这类产品的主要难点仍然在芯片的性能和成本上,解决不了低成本的集成电路芯片,产品的大面积推广就会遇到巨大的困难。

  有线通信

  集成电路在有线通信设备中的应用最早、也最广泛,如数字程控交换机,光同步数字网(SDH)传输设备、路由器、会议电视、保密通信等。早期的通信专用集成电路大多根据系统的要求来定制。经过多年的发展,今天的通信专用集成电路芯片已经开始引领通信设备的发展。

  在通信设备的高速接口方面,诸如帧同步、纠错、成帧、传输信息处理等都已集成到一个集成电路芯片上。如SDH设备上的E1信息处理已从早期的一个芯片支持2路E1发展到现在的一个芯片支持21路E1。大唐电信自主开发的SDH芯片组只要5片超大规模集成电路就可以组成一个完整的STM-1系统,完成从63路E1复接/解同步、POH开销处理、交叉连接、SOH开销处理等全部工作,并同时提供2套STM-1的上、下行链路。一个原来要几十块PCB板的复杂机架简化成为单盘,极大地提高了系统的可靠性,降低了成本。

  在数据通信领域,早期的设备更多地采用专用集成电路的开发模式,如用于ATM信元分拆与组合的SAR电路,又如专用于IP协议包处理的网络处理器等。今天,无论是异步传输模式(ATM),还是基于以太网的各类设备都越来越多地采用高速CPU加专用接口芯片的方式来构成。32位RISC为主流的高性能CPU不仅被用作协议处理、信令的转换和各类净荷(Payload)信息的处理,还被越来越多地应用于接口信息的处理,芯片平台的作用日渐突现。事实上,今天的通信设备开发中,软件已经替代硬件成为系统开发中最为重要和关键的内容。软件工作量已从原来的微不足道发展到今天的超过70%。一个灵活的、高性能的、可再配置的SoC平台是通信领域热切盼望和十分关注的课题。

  集成电路的进步对解决因特网的带宽“瓶颈”具有极其重要的贡献。今天,路由器已从传统的基于总线(背板)交换、软件包转发和集中式处理结构演变到基于交换矩阵、硬件包转发和分布式处理结构。以往的核心路由器已开始向网络边缘转移,核心路由器正在向更高速度,更大吞吐量发展。随着这个变化,集成电路对数据网的贡献将逐渐转向网络边缘,转向接入。而骨干传输网速度的提升则更多地要依赖于光技术,特别是集成光路的引入。

  通信终端

  集成电路在通信终端中的作用是显而易见的,多种功能、小型轻巧、操作简单、外观时尚是人们对移动通信终端永恒的追求。而简单生动的人机界面、丰富色彩的屏幕显示,丰满的音源、多种信息的同时获取和超低功耗是移动因特网手机获得成功并取得竞争优势的根本。为适应多代共存,手持通信终端和基站必须对应“多方式”和“多频段”,即所谓“多模”和“多频”。显然,这将导致手机芯片的设计变得日益复杂。一个可以在GSM、CDMA和3G网中使用的多模手机的基带芯片就必须能够处理包括GSM、CDMA和3G的各类信令、协议。由于GSM、CDMA和3G各自使用不同的频率资源,多模手机还需要2个或3个RF电路以对应不同的频带。如红外(Ir)、USB等话音和数据接口也成为必备的选择。到今天为止,能够兼容GSM和CDMA两种制式的第2代移动通信商用双模终端尚未面世,其中最主要的原因之一就是用于这种多模手机的芯片尚未成熟。除了技术层面的难点之外,由于信息处理复杂度成倍增加造成的电路芯片成本居高不下也是一个原因。

  射频电路和基带信号处理电路的价格大约要占移动通信终端成本的50~60%。这是因为现在2GHz频带以上的射频电路一般都采用砷化镓(GaAs)技术实现。GaAs器件难以进行高密度集成,成本大幅度下降的空间有限。人们希望采用CMOS技术制造RF电路,从而实现低成本和小型化,同时可以将RF与基带信号处理器集成在一起,实现单芯片解决方案。用CMOS技术实现RF电路对设备厂家极具吸引力。这两年来,国际主要半导体制造商正在这一领域展开激烈的竞赛。

  采用CMOS技术生产RF电路有多种途径,其中锗硅(SiGe)技术引起了人们的高度关注。SiGe技术是在CMOS技术基础上增加若干工序,亦即在硅材料上形成SiGe层以提高晶体管截止频率的制造技术。在兼容CMOS工艺的基础上可以实现高截止频率和低功耗晶体管,同时不需要大规模投资。以IBM为代表,国际上许多半导体公司陆续推出了采用SiGe技术的产品。IBM批量生产的SiGe器件的截止频率已达到47GHz,有望很快达到100GHz。

  OLED等塑料芯片也将对通信终端产生一场新的变革。先进的OLED塑料彩色显示器必将取代手机、PDA和笔记本电脑上传统的LCD显示屏,成为多媒体终端的标准显示器。

  通信技术的发展与集成光路

  随着集成电路特征尺寸的缩小和集成度的提高,特别是因特网的出现和各种新业务对带宽的要求,出现了很多新的、难以解决的问题,如因特网骨干网在普遍实现高清晰度电视传送时产生的带宽问题绝不是可以用电的方法解决的。又例如,采用基于电信号处理的SDH系统对光纤带宽的使用率仅为1%,而采用全光网概念的光分插复用(OADM)设备、光交叉连接(OXC)设备则可以将光纤的容量发挥到极致。于是,科学家们开始专注光子技术的研究,希望可以用光子取代电子实现信息的存储、处理和传输。

  光相对电有很多优点,例如,光在光纤等介质材料里的传输速度和带宽都远远大于电子在金属中的传输速度和带宽,光在光纤中的传输损耗远小于电在金属中的传输损耗等。但是,光子的控制却相当困难。这使得光器件的研究和应用一直步履蹒跚,难以取得重大的进步。1987年光子晶体概念的提出向人们展示了一种全新的控制光子的机制,它完全不同于以往利用全反射来引导光传输的机理,给光通信技术的发展和应用带来了新的生机和活力,展现了一个美好的未来。

  不难理解,如果希望光子在通信领域能够得到广泛的应用,就要找到一种象实现微电子芯片那样的方法和途径,制造出集成化的微光子芯片。理想的解决方案是在一个微小平台上利用某种东西能同时实现镜子、交换和波导的功能。

  光子不仅对通信领域有着巨大的诱惑力,也是未来提高计算机计算速度的关键技术。

  微光子、集成光路的发展趋势

  微光子领域的研究,其目的是仿效在电子域内把晶体管和其它电子装置集成在一个芯片上的技术来压缩光子开关、光纤、激光器、探测器,并把它们集成在一个光路上。目前集成光路已进入了工程应用阶段。

  由于光波的波长比波长最短的无线电波还要小四个数量级,因而具有更大的传递信息和处理信息的能力。然而传统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对准和准直困难,不能适应光电子技术应用发展的需要。采用类似于半导体集成电路的制造方法,把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路,是解决光学系统集成问题的一种有效途径。这样的集成器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低,使用方便等优点。集成光路的应用领域是多方面的,除了光纤通信、光纤传感器、光学信息处理和光计算机外,导波光学原理、薄膜光波导器件和回路还在向其它领域,如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。

  现在已经做出了很多对应于较大光学元件的薄膜波导元件,如薄膜媒质光波导、薄膜激光器、耦合器、调制器、开关、偏转器、薄膜透镜、棱镜、探测器、滤波器、光学双稳态器件、半加器回路、模/数转换器、傅里叶变换器、频谱分析仪、卷积、存储器等。在光波导中,观察到二次谐波产生、混频、受激布里渊散射、受激喇曼发射等非线性光学效应,以及薄膜中像的传输和转换等现象。一些光元件的集成也已经实现,例如在同一衬底上实现激光器、波导、探测器三种典型元件的集成;六个分布式反馈激光器的集成;三个探测器的集成和注入式激光器和场效应晶体管的集成等。

  受工艺的限制和成本的约束,集成光路也不一定要在单个衬底上集成所有的光学元件,很多时候是有限的几种元件的集成,甚至在同一个衬底上只做同种元件的集成(单功能集成)。目前已经出现了光学元件和电学元件的混合集成,今后还可能出现光、电、声、磁元件结合在一起的集成芯片。利用前面提到的导电塑料和塑料芯片技术还有望开发出更先进的集成光路和高密度光存储器件。

  集成光路设计方法学与计算辅助设计工具

  集成光路设计方法学与相应的计算机辅助设计工具是关系到集成光路能否大规模商用和形成一个产业的关键,是集成光路产业链中重要的一环。尽管它可以部分借鉴微电子领域集成电路设计方法学与计算机辅助设计工具的思想,但毕竟有很多的特殊性。目前世界各国的科学家和工程师的主要精力还都集中在集成光路的基础研究中,对集成光路设计方法学的研究还基本是个空白,也没有相应的计算机辅助设计工具可供使用。今后这是一个崭新的课题需要人们去解决。

  通信技术及产业的发展对集成光路的要求

  光纤传输固有的容量大、损耗小、防电磁能力强和成本低等优点,在通信网、特别是骨干传输网中得到了广泛的应用,取得了决定性的地位。伴随着通信网容量的快速增长和光纤成本的急剧下降,目前,光纤已开始从核心网向接入网进军,有理由相信未来的网络将是全光网。

  尽管目前电子域的时分复用(TDM)系统的速度在实验室内已经达到了40Gbps的水平,但是由于电子运动速率的极限性,已没有多少潜力可挖了。但是在光领域中还有广大的空间。光领域中的复用方式主要有光空分复用(OSDM)、光时分复用(OTDM)和波分复用(WDM)等三种。目前WDM技术比较成熟,已广泛应用于通信传输网,并进步到密集波分复用(DWDM),而OTDM和OSDM尚处于实验研究阶段。

  在交换领域,目前通信网络的主流交换设备仍然是工作在电子域、实现电子交换的电子设备。在这类网络中,尽管已经实现了信号的光纤传输,但是在进行交换前需要用光电转换器件将从光纤传输来的光信号转化成电信号,用电子交换设备实现信号交换,再用电光转换器件将电信号转换成光信号,通过光纤传送出去。由于光电转换和电光转换的效率非常有限,通信网中实际上存在着“电子瓶颈”。为了提高信号交换速度和减少变换损耗克服通信网中的“电子瓶颈”,人们正在研究实现光信号的直接交换(波长到波长的交换),即光交换。光交换有两种基本模式:基于定长分组和同步节点操作的光透明分组网路(OTPN)和基于可变长分组和异步节点操作的光突发交换(OBS)。目前,OTPN还存在着成本和技术的障碍。

  实现光交换的另外一项关键技术是集成光路技术,因为光交换设备的核心元器件是集成光路,如:光开关、光耦合器、光存储器和波长控制器等。目前研究开发人员正在集中精力研制大容量廉价的光器件与集成光路,包括可变波长激光器、高频调制器、波分复用/解复用器/滤波器、增益平坦和锁定的SGL波段放大器、喇曼放大器、高频光探测器、MEMS光开关等。象集成电路中的开关晶体管一样,光交换中的核心是光开关。光开关以光的方式为信息选路。实现光开关的主要技术有微机械技术、气泡技术、液晶技术、全息技术等。目前,实用化的主要有三类:电光开关、机械光开关、热光开关等。近年来,基于MEMS技术的光开关被许多厂家看好。

  结语

  通信网络的移动化和宽带化趋势和通信终端的个性化趋势将为集成电路产业提供难得的发展机遇。已到中年的集成电路产业,通过SoC技术将必然会再一次呈现青春的气息,实现系统与芯片的统一。包含嵌入式微处理器,高性能DSP、大容量存储器及模拟电路的SoC,必然会以其高集成度、高速率、低功耗和智能化,低成本的优势影响和主导通信设备制造。而集成光路技术也必然会逐渐成熟,在高速、低损耗通信领域赢得它的地位和市场。

  作者简介:魏少军,博士,大唐电信科技股份有限公司总裁兼首席执行官;清华大学教授,博士生导师;北京大学兼职教授;国家八六三计划超大规模集成电路设计专项专家组专家;IEEE有价值会员;中国电子学会高级会员。

关键字:通信  光电子  无线传输  集成电路

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2009/0929/article_131.html
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