“5G時(shí)代的頻譜,、帶寬,、通信制式等與傳統(tǒng)4G有所不同,，這給手機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn),，尤其是在射頻前端,?！?019年是5G部署元年,，全球重要市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商均已推出覆蓋毫米波及6 GHz以下的5G服務(wù)和終端,。昨天，Qualcomm Technologies產(chǎn)品市場(chǎng)資深經(jīng)理李洋在一次線上技術(shù)分享會(huì)上從5G時(shí)代下終端設(shè)計(jì)面臨的種種挑戰(zhàn),，到射頻前端如何與調(diào)制解調(diào)器作為一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng),，再到影響5G設(shè)計(jì)復(fù)雜性的主要趨勢(shì)進(jìn)行了深度解讀，并揭秘了驍龍5G調(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng),。
“5G時(shí)代的頻譜,、帶寬、通信制式等與傳統(tǒng)4G有所不同,，這給手機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn),，尤其是在射頻前端?！?李洋的一句話,，點(diǎn)名了5G通信與4G的核心變化與區(qū)別。
回顧4G時(shí)代,，大約十年前,，其早期部署階段就沒(méi)有5G如此復(fù)雜,，制式單一，帶寬僅10MHz,，也只有少數(shù)運(yùn)營(yíng)商參與其中,，初期也只有少數(shù)重點(diǎn)城市進(jìn)行布局，與之一起配合的OEM廠商也較少,。曾經(jīng)較大的OEM廠商都來(lái)自海外,，而如今大部分頂級(jí)手機(jī)廠商都集中在中國(guó)。
那么,，5G初期部署為啥就這么難,？入場(chǎng)門檻到底高在哪里？
李洋表示,，5G初期部署時(shí),，網(wǎng)絡(luò)制式就非常復(fù)雜，其同時(shí)瞄準(zhǔn)TDD和FDD網(wǎng)絡(luò),。其次,，還引入了Sub-6GHz頻段，對(duì)基站建設(shè),、網(wǎng)絡(luò)覆蓋,、手機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上都有難度，新的頻譜以為需要新的一整套生態(tài)支持,。
難點(diǎn)不止如此,，再拿毫米波來(lái)說(shuō),，雖然在中國(guó)還沒(méi)有正式商用,，目前韓國(guó)和美國(guó)已進(jìn)入商用階段。其是一個(gè)全新的通信交互方式,，對(duì)手機(jī),、基站的網(wǎng)絡(luò)要求也不一樣。
5G初期的大帶寬,，似乎是對(duì)通信要求的一步到位,。當(dāng)然，5G還需要考慮與傳統(tǒng)2/3/4G的兼容性,，其中包括聯(lián)合組網(wǎng)鈣奶按鈕,。
與此同時(shí)，5G的部署節(jié)奏已與十年前的4G大不一樣,，對(duì)每個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō),，都肩負(fù)著一個(gè)通信革命，成為一個(gè)戰(zhàn)略高度,。中國(guó)也希望量產(chǎn)全球第一張5G網(wǎng),，幾乎所有的運(yùn)營(yíng)商都在積極布局,。
除了以上所說(shuō)的技術(shù)難點(diǎn)，5G還承載了對(duì)未來(lái)信息革命的希望,，如AI,、自動(dòng)駕駛、VR,、遠(yuǎn)程醫(yī)療等,，都依托于5G來(lái)實(shí)現(xiàn)?！八哉f(shuō),，不管是前期部署，還是后面的工業(yè)布局,，以及產(chǎn)業(yè)意圖,，5G時(shí)代的挑戰(zhàn)是前所未有的?！崩钛笕绱苏f(shuō)道,。
下面這張圖顯示，5G為系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求帶來(lái)的影響,，僅僅是6GHz以下的5G NR需求,。
簡(jiǎn)單的從天線、能效和架構(gòu)三方面來(lái)說(shuō),，1,，天線部分，曾經(jīng)LTE網(wǎng)絡(luò)是下行兩路,、上行一路,。5G NR引入Sub-6GHz，導(dǎo)致上行兩路,，下行四路,，天線基本翻倍?！罢麢C(jī)角度來(lái)說(shuō),，5G比4G天線數(shù)量翻了1.5倍?！崩钛蟊硎荆骸疤炀€需要覆蓋大的帶寬,，而天線效率和帶寬無(wú)法兼得，要兼顧兩者平衡是個(gè)難點(diǎn),?！贝送猓cWi-Fi,、GPS天線共享以及天線調(diào)諧優(yōu)化也是天線設(shè)計(jì)難點(diǎn),。
2,，能效部分，其高發(fā)射功率,、高峰值對(duì)均值功率比,、寬帶功率追蹤都在增加功耗和發(fā)熱功率。3,，架構(gòu)方面,，要實(shí)現(xiàn)高性能天線交換、5G功率追蹤,、高度集成的功率放大器+濾波器模組,，會(huì)對(duì)整個(gè)射頻前端架構(gòu)造成影響，需要更多的PCB面積,，手機(jī)廠商們用集成模塊等來(lái)解決問(wèn)題,。
當(dāng)然，以上挑戰(zhàn)并不包括毫米波,。
“系統(tǒng)級(jí)集成對(duì)于高效的5G終端至關(guān)重要,。”李洋用一句話總結(jié)了挑戰(zhàn)背后的方法,。此前在傳統(tǒng)4G手機(jī)年代,，高通主要負(fù)責(zé)制解調(diào)器、射頻收發(fā)器設(shè)計(jì)研發(fā),，在射頻前端部分,，高通會(huì)和友商都會(huì)做一些方案。如今5G時(shí)代,，高通將調(diào)制解調(diào)器和射頻系統(tǒng)結(jié)合來(lái)做集成式系統(tǒng)方案,。背后的原因和目的，李洋表示：1,，可以達(dá)到好的實(shí)際吞吐量,；2,，更廣的覆蓋范圍,；3，更緊湊的手機(jī)外形尺寸,，設(shè)計(jì)更為漂亮,；4，更低的能耗,；5,，更好的散熱性能；6,，更快的5G手機(jī)上市,，形成規(guī)模效應(yīng),。
與此同時(shí)，IHS Markit也在2019年8月28日發(fā)布的報(bào)告稱,，射頻前端和調(diào)制解調(diào)器一起成為5G智能手機(jī)設(shè)計(jì)中的雙子星,，不再扮演傳統(tǒng)的支持性角色。
關(guān)于射頻的重要性,，李洋用一張簡(jiǎn)易的實(shí)際電路框架圖概括,。如下圖，L形PCB版上鑲嵌著一個(gè)驍龍855芯片和5G單獨(dú)調(diào)制解調(diào)器,，黑色和灰色的方塊都是射頻部分,，圖中可以看出，其占據(jù)了不少面積,，數(shù)量也較多,。除此之外，三條紅色的部分,，也是預(yù)估的毫米天線模組位置,，如果放進(jìn)去，對(duì)手機(jī)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)將更大,。
下圖是射頻前端的構(gòu)成模塊簡(jiǎn)化視圖,，李洋簡(jiǎn)單介紹了信號(hào)的收發(fā)過(guò)程：調(diào)制解調(diào)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，把數(shù)字信號(hào)變成模擬信號(hào),，傳給射頻收發(fā)器器,、隨后將信號(hào)推到功率放大器，將信號(hào)放大,，達(dá)到能在空中傳輸?shù)哪康?。上面是包絡(luò)跟蹤器，為功率放大器提供電源,，隨后通過(guò)濾波器,，把信號(hào)雜音濾掉，通過(guò)天線開(kāi)關(guān)的選型,。天線調(diào)諧器是用來(lái)調(diào)節(jié)天線性能,。
接收部分則通過(guò)低噪放大器，放大到射頻和調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)能夠識(shí)別的維度,。下面還有一條通路叫分集通路,，這整張圖所表示的就是LTE的一發(fā)射兩接收模型。
那5G呢,？
“5G可以簡(jiǎn)單的理解為將這部分在復(fù)制拷貝一下,，但并不是簡(jiǎn)單的翻倍概念，不過(guò)至少在復(fù)雜度上呈現(xiàn)翻倍的狀態(tài),?！崩钛笕绱诵稳?G時(shí)代射頻前端架構(gòu)的復(fù)雜度：“把Sub-6GHz引入后,，其是全新的器件，還不能復(fù)用LTE時(shí)的器件,?！?/p>
他還表示，進(jìn)入5G,，如果沒(méi)有先進(jìn)的封裝技術(shù),，就基本沒(méi)法玩這個(gè)游戲了。
需求不斷演進(jìn)以實(shí)現(xiàn)高性能5G射頻前端,，以下幾點(diǎn)都是新的需求：
1,，就是剛剛所談封裝問(wèn)題，需要新一代封裝實(shí)現(xiàn)更好的散熱性能和高頻寄生,。
2,，功率追蹤——更高峰值對(duì)均值功率比、線性和帶寬需求,；
3,，功率放大器（PA）——部分帶寬、基帶帶寬,、高功率傳輸（HPUE）,、峰值對(duì)均值功率比、線性,、高頻工作,；
4，體聲波（BAW）濾波器技術(shù)插入損耗和功率處理,。低5G頻率分區(qū),；
5，開(kāi)關(guān)——改善TDD切換時(shí)序vs插入
6,，低噪放大器（LNA）——更高運(yùn)行頻率增益,；新封裝技術(shù)。
那么高通是怎么做的呢,？李洋說(shuō)到：“作為一個(gè)系統(tǒng)廠商,，高通驍龍X55 5G調(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng)提供了一整套從調(diào)制解調(diào)器到天線的完整5G解決方案?！比缦聢D,。
“系統(tǒng)級(jí)解決方案讓不可能變成可能,?！崩钛笱葜v時(shí)的其中一張PPT如此寫到，像是在宣揚(yáng)自己化挑戰(zhàn)為機(jī)遇的神奇力量,。
下圖可以看出,，藍(lán)色柱體代表手機(jī)吞吐率上升趨勢(shì),，從2012年到2019年，手機(jī)下行速率峰值大概翻了20倍,，高吞吐率帶來(lái)的是高數(shù)據(jù)處理能力,，也造成了更高的功耗。紅色折現(xiàn)代表的是7年來(lái)電池容量的變化,，并沒(méi)有像吞吐率增加那么迅猛,，只增加1.6倍。并且,，這1.6倍有一部分得益于手機(jī)尺寸變大,。遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足整機(jī)功耗的需求。
“所以我們不僅要從硬件,，還要從軟件出發(fā),，提供功耗優(yōu)化，滿足這20倍的增長(zhǎng),?！?/p>
關(guān)于高通的系統(tǒng)級(jí)方法，李洋介紹了5大技術(shù)——1,，移動(dòng)毫米波,；2，Smart Transmit,；3,，寬頻帶包絡(luò)追蹤；4,，Signal Boost,；5，5G PowerSave,。
對(duì)此,，李洋一一解釋道：1，Qualcomm Smart Transmit,，能讓多路無(wú)線管理系統(tǒng)在滿足射頻發(fā)射功率限制的同時(shí),，實(shí)現(xiàn)上行鏈路的高度優(yōu)化。
2,，毫米波在中國(guó)沒(méi)有商用,，其在智能手機(jī)大小的終端中部署5G毫米波將帶來(lái)鏈路預(yù)算、功耗,、移動(dòng)性,、嚴(yán)苛的尺寸限制、散熱管理和監(jiān)管合規(guī)的巨大挑戰(zhàn)。李洋此處介紹了高通的QTM525毫米波天線模組,，支持小于8mm厚度智能手機(jī)設(shè)計(jì),。
3，高通天線調(diào)諧技術(shù)能夠幫助解決多項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),，其中有源天線可在200ms內(nèi)智能切換,，以優(yōu)化信號(hào)并減少延遲。
4,，Qualcomm 5G PowerSave技術(shù)旨在為5G終端帶來(lái)“全天候”電池續(xù)航的全面解決方案,。其中基于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的非連續(xù)接收（C-DRX）是該技術(shù)的關(guān)鍵特性之一，簡(jiǎn)言之,，C-DRX可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)動(dòng)態(tài)檢測(cè),，如存在有數(shù)據(jù)就接收，沒(méi)有就低功耗運(yùn)行,。
5,，寬頻帶包絡(luò)追蹤，用下面一張圖可以解釋,。PA輸出的信號(hào)是波動(dòng)的,。右下角中，給PA供電的電壓是平的,，根據(jù)平均值波動(dòng),，效率并不是很高，存在非常多功率損失,，其中圖中藍(lán)色都是損失,。而右上角，完全跟蹤包絡(luò),。雖看起來(lái)簡(jiǎn)單,，但高頻都是毫秒級(jí)跟蹤，需要調(diào)制解調(diào)器預(yù)知發(fā)送的包絡(luò)是什么,，做到完美的匹配,，稍微錯(cuò)位，就導(dǎo)致PA性能很差,。
對(duì)應(yīng)的高通產(chǎn)品則是QET6100 5G NR包絡(luò)追蹤器,。
從一場(chǎng)高通的線上技術(shù)研討會(huì)可以看出，5G時(shí)代所存在的巨大挑戰(zhàn),，也是一些大廠設(shè)立技術(shù)門檻的機(jī)遇,。
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