“5G時代的頻譜、帶寬、通信制式等與傳統(tǒng)4G有所不同，這給手機設計帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，尤其是在射頻前端?！?019年是5G部署元年，全球重要市場的運營商和設備制造商均已推出覆蓋毫米波及6 GHz以下的5G服務和終端。昨天，Qualcomm Technologies產品市場資深經理李洋在一次線上技術分享會上從5G時代下終端設計面臨的種種挑戰(zhàn)，到射頻前端如何與調制解調器作為一個統(tǒng)一系統(tǒng)，再到影響5G設計復雜性的主要趨勢進行了深度解讀，并揭秘了驍龍5G調制解調器及射頻系統(tǒng)。
“5G時代的頻譜、帶寬、通信制式等與傳統(tǒng)4G有所不同，這給手機設計帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，尤其是在射頻前端。” 李洋的一句話，點名了5G通信與4G的核心變化與區(qū)別。
回顧4G時代，大約十年前，其早期部署階段就沒有5G如此復雜，制式單一，帶寬僅10MHz，也只有少數(shù)運營商參與其中，初期也只有少數(shù)重點城市進行布局，與之一起配合的OEM廠商也較少。曾經較大的OEM廠商都來自海外，而如今大部分頂級手機廠商都集中在中國。
那么，5G初期部署為啥就這么難？入場門檻到底高在哪里？
李洋表示，5G初期部署時，網(wǎng)絡制式就非常復雜，其同時瞄準TDD和FDD網(wǎng)絡。其次，還引入了Sub-6GHz頻段，對基站建設、網(wǎng)絡覆蓋、手機設計實現(xiàn)上都有難度，新的頻譜以為需要新的一整套生態(tài)支持。
難點不止如此，再拿毫米波來說，雖然在中國還沒有正式商用，目前韓國和美國已進入商用階段。其是一個全新的通信交互方式，對手機、基站的網(wǎng)絡要求也不一樣。
5G初期的大帶寬，似乎是對通信要求的一步到位。當然，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，5G的部署節(jié)奏已與十年前的4G大不一樣，對每個國家來說，都肩負著一個通信革命，成為一個戰(zhàn)略高度。中國也希望量產全球第一張5G網(wǎng)，幾乎所有的運營商都在積極布局。
除了以上所說的技術難點，5G還承載了對未來信息革命的希望，如AI、自動駕駛、VR、遠程醫(yī)療等，都依托于5G來實現(xiàn)。“所以說，不管是前期部署，還是后面的工業(yè)布局，以及產業(yè)意圖，5G時代的挑戰(zhàn)是前所未有的?！崩钛笕绱苏f道。
下面這張圖顯示，5G為系統(tǒng)設計需求帶來的影響，僅僅是6GHz以下的5G NR需求。
簡單的從天線、能效和架構三方面來說，1，天線部分，曾經LTE網(wǎng)絡是下行兩路、上行一路。5G NR引入Sub-6GHz，導致上行兩路，下行四路，天線基本翻倍?！罢麢C角度來說，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法兼得，要兼顧兩者平衡是個難點?！贝送猓cWi-Fi、GPS天線共享以及天線調諧優(yōu)化也是天線設計難點。
2，能效部分，其高發(fā)射功率、高峰值對均值功率比、寬帶功率追蹤都在增加功耗和發(fā)熱功率。3，架構方面，要實現(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，會對整個射頻前端架構造成影響，需要更多的PCB面積，手機廠商們用集成模塊等來解決問題。
當然，以上挑戰(zhàn)并不包括毫米波。
“系統(tǒng)級集成對于高效的5G終端至關重要。”李洋用一句話總結了挑戰(zhàn)背后的方法。此前在傳統(tǒng)4G手機年代，高通主要負責制解調器、射頻收發(fā)器設計研發(fā)，在射頻前端部分，高通會和友商都會做一些方案。如今5G時代，高通將調制解調器和射頻系統(tǒng)結合來做集成式系統(tǒng)方案。背后的原因和目的，李洋表示：1，可以達到好的實際吞吐量；2，更廣的覆蓋范圍；3，更緊湊的手機外形尺寸，設計更為漂亮；4，更低的能耗；5，更好的散熱性能；6，更快的5G手機上市，形成規(guī)模效應。
與此同時，IHS Markit也在2019年8月28日發(fā)布的報告稱，射頻前端和調制解調器一起成為5G智能手機設計中的雙子星，不再扮演傳統(tǒng)的支持性角色。
關于射頻的重要性，李洋用一張簡易的實際電路框架圖概括。如下圖，L形PCB版上鑲嵌著一個驍龍855芯片和5G單獨調制解調器，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，也是預估的毫米天線模組位置，如果放進去，對手機設計的挑戰(zhàn)將更大。
下圖是射頻前端的構成模塊簡化視圖，李洋簡單介紹了信號的收發(fā)過程：調制解調器對信號進行調制解調，把數(shù)字信號變成模擬信號，傳給射頻收發(fā)器器、隨后將信號推到功率放大器，將信號放大，達到能在空中傳輸?shù)哪康摹Ｉ厦媸前j跟蹤器，為功率放大器提供電源，隨后通過濾波器，把信號雜音濾掉，通過天線開關的選型。天線調諧器是用來調節(jié)天線性能。
接收部分則通過低噪放大器，放大到射頻和調制解調器系統(tǒng)能夠識別的維度。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可以簡單的理解為將這部分在復制拷貝一下，但并不是簡單的翻倍概念，不過至少在復雜度上呈現(xiàn)翻倍的狀態(tài)。”李洋如此形容5G時代射頻前端架構的復雜度：“把Sub-6GHz引入后，其是全新的器件，還不能復用LTE時的器件?！?/p>
他還表示，進入5G，如果沒有先進的封裝技術，就基本沒法玩這個游戲了。
需求不斷演進以實現(xiàn)高性能5G射頻前端，以下幾點都是新的需求：
1，就是剛剛所談封裝問題，需要新一代封裝實現(xiàn)更好的散熱性能和高頻寄生。
2，功率追蹤——更高峰值對均值功率比、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）、峰值對均值功率比、線性、高頻工作；
4，體聲波（BAW）濾波器技術插入損耗和功率處理。低5G頻率分區(qū)；
5，開關——改善TDD切換時序vs插入
6，低噪放大器（LNA）——更高運行頻率增益；新封裝技術。
那么高通是怎么做的呢？李洋說到：“作為一個系統(tǒng)廠商，高通驍龍X55 5G調制解調器及射頻系統(tǒng)提供了一整套從調制解調器到天線的完整5G解決方案。”如下圖。
“系統(tǒng)級解決方案讓不可能變成可能?！崩钛笱葜v時的其中一張PPT如此寫到，像是在宣揚自己化挑戰(zhàn)為機遇的神奇力量。
下圖可以看出，藍色柱體代表手機吞吐率上升趨勢，從2012年到2019年，手機下行速率峰值大概翻了20倍，高吞吐率帶來的是高數(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年來電池容量的變化，并沒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尺寸變大。遠遠不能滿足整機功耗的需求。
“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?！?/p>
關于高通的系統(tǒng)級方法，李洋介紹了5大技術——1，移動毫米波；2，Smart Transmit；3，寬頻帶包絡追蹤；4，Signal Boost；5，5G PowerSave。
對此，李洋一一解釋道：1，Qualcomm Smart Transmit，能讓多路無線管理系統(tǒng)在滿足射頻發(fā)射功率限制的同時，實現(xiàn)上行鏈路的高度優(yōu)化。
2，毫米波在中國沒有商用，其在智能手機大小的終端中部署5G毫米波將帶來鏈路預算、功耗、移動性、嚴苛的尺寸限制、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厚度智能手機設計。
3，高通天線調諧技術能夠幫助解決多項設計挑戰(zhàn)，其中有源天線可在200ms內智能切換，以優(yōu)化信號并減少延遲。
4，Qualcomm 5G PowerSave技術旨在為5G終端帶來“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）是該技術的關鍵特性之一，簡言之，C-DRX可以實現(xiàn)信號動態(tài)檢測，如存在有數(shù)據(jù)就接收，沒有就低功耗運行。
5，寬頻帶包絡追蹤，用下面一張圖可以解釋。PA輸出的信號是波動的。右下角中，給PA供電的電壓是平的，根據(jù)平均值波動，效率并不是很高，存在非常多功率損失，其中圖中藍色都是損失。而右上角，完全跟蹤包絡。雖看起來簡單，但高頻都是毫秒級跟蹤，需要調制解調器預知發(fā)送的包絡是什么，做到完美的匹配，稍微錯位，就導致PA性能很差。
對應的高通產品則是QET6100 5G NR包絡追蹤器。
從一場高通的線上技術研討會可以看出，5G時代所存在的巨大挑戰(zhàn)，也是一些大廠設立技術門檻的機遇。
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