بدأت تطبيقات 5G المبكرة في نهاية عام 2019 ، ومنذ ذلك الحين ، قطعت تصميمات RFFE الأمامية (RFFE) شوطًا طويلاً من حيث التكامل الأعلى ودعم التشغيل متعدد الأوضاع الذي يتراوح من أجهزة الراديو 5G إلى 2G.
على سبيل المثال ، تدعم محولات البيانات في RFFEs الآن عرض نطاق القناة المتاح في نطاقات الموجات المليمترية (mmWave). وهذا بدوره سيفتح الأبواب لتعميم معماريات الترددات الراديوية ويحتمل أن يقلل من تعقيد دوائر التردد اللاسلكي عن طريق تحريك الفجوة الرقمية التناظرية بالقرب من الهوائي.
تُعرف RFFEs أيضًا بوحدات الواجهة الأمامية. تستخدم هذه الأجزاء معماريات التقسيم الذكية لدمج مكبرات الصوت عالية السرعة ، واستقبال المحولات التناظرية إلى الرقمية ، ونقل مسار المحولات الرقمية إلى التناظرية جنبًا إلى جنب مع تصميمات المرشحات عالية التردد المتقلصة باستمرار. التكامل هو اسم اللعبة في تصميمات الراديو 5G ، حيث لم تعد حلول RF المنفصلة كافية.
خذ تصميمات RFFE من Qualcomm التي تدمج العديد من مكونات التردد اللاسلكي بين المودم والهوائي. تجمع حلول المودم إلى الهوائي هذه بين المودم وجهاز الإرسال والاستقبال اللاسلكي ومكونات الواجهة الأمامية للتردد اللاسلكي ووحدات الهوائي ، مما يتيح لمصنعي المعدات الأصلية إمكانية تسويق الأجهزة بسرعة مع دعم نطاقات التردد الجديدة مثل n53 و n70 و n259 في 41- نطاق جيجاهرتز.
أحد أحدث الأمثلة هو نظام Snapdragon X65 5G modem-RF ، وهو حل الجيل الرابع من مودم إلى هوائي من كوالكوم. يدعم Snapdragon X5 تجميع الطيف حتى 65 جيجاهرتز في طيف الموجات المليمترية و 1 ميجاهرتز للطيف الفرعي 300 جيجاهرتز.
X65 هو حل الجيل الرابع من مودم إلى هوائي يتميز بضبط الهوائي وقدرات تجميع الطيف. (المصدر: Qualcomm)
ثم هناك الواجهات الأمامية ADR554x RF لأجهزة الراديو MIMO (M-MIMO) الضخمة من شركة Analog Devices Inc. تزيد هذه RFFE بشكل كبير من عدد قنوات الإرسال والاستقبال المتزامنة التي تعمل في نطاقات متعددة مع ضغط جميع الأجهزة الضرورية في عامل شكل أصغر.
تتضمن عائلة ADR554x من الواجهات الأمامية RF مفتاحًا عالي الطاقة في عملية السيليكون ومكبر صوت منخفض الضوضاء عالي الأداء في عملية GaAs. تم تصميم نهايات RF الأمامية ، التي تغطي النطاقات الخلوية من 1.8 جيجاهرتز إلى 5.3 جيجاهرتز ، بشكل مثالي لواجهات هوائي M-MIMO.
نتيجة لذلك ، مع وجود عدد أكبر من الهوائيات والنطاقات التي تحتاج إلى الدعم وعدد كبير من المكونات اللازمة لتحقيق تغطية كافية ، نرى تعقيدًا غير مسبوق في مجال التردد اللاسلكي. لذلك في البداية ، أدى التعقيد المتزايد لأجهزة الراديو 5G إلى الحد من عدد الشركات المصنعة ذات الخبرة لتطوير مثل هذه الأنظمة الفرعية المعقدة للترددات اللاسلكية. ومع ذلك ، فإن المزيد من الموردين يتقدمون الآن لمواجهة تحدي RFFE مع نضوج تصاميم 5G.
تحديات تصميم الواجهة الأمامية للترددات اللاسلكية
يمثل تصميم RF فرصة كبيرة في شبكات 5G وسط نشر عدد كبير من المحطات الأساسية في البيئات المصغرة والميكرو بيكو والفيمتو ، بالإضافة إلى الأجهزة الطرفية الجديدة لإنترنت الأشياء والصناعية تطبيقات إنترنت الأشياء. من المحتمل أن يضيف ذلك نموًا هائلاً في الأجهزة المتصلة لحالات ومتطلبات الاستخدام المتنوعة للغاية.
تعد الكفاءة الطيفية وإعادة الاستخدام ، والسرعات العالية ، والكمون المنخفض من الاعتبارات الرئيسية لتصميمات RFFE لتلبية هذا التعزيز الهائل في سعة نقل البيانات اللاسلكية. أولاً وقبل كل شيء ، تعد الكفاءة الطيفية أمرًا حيويًا لأن ترددات الموجات mmWave ، الطيف فوق 6 GHz ، قد جذبت قدرًا كبيرًا من الاهتمام لتوافر عرض النطاق الترددي الواسع.
ومع ذلك ، فإن الإرسال في نطاق mmWave يمثل تحديًا كبيرًا في المناطق الخارجية ، وتتمثل مهمة تصميم RFFE في تحسين فقد المسار العالي ، وارتفاع نسبة الأكسجين و H2يا الامتصاص ، الفقد خلال الأوراق ، والذبول بسبب المطر. لذلك يستخدم مصممو الترددات اللاسلكية تقنيات تشكيل الحزم وتتبع الحزمة للتغلب على خصائص القناة غير المواتية في تردد الموجة mmWave.
ثانيًا ، تعد السرعة أمرًا بالغ الأهمية في تصميمات RFFE لأن معماريات الراديو 5G تعمل بمعدلات بيانات أعلى بكثير من أنظمة 2G و 3G و 4G السابقة. أنظمة 5G الحالية أسرع 10 مرات من أجهزة الراديو 4G LTE.
ثالثًا ، الكمون هو العنصر الجديد ، إلى جانب الوصول الأسرع في تصميمات 5G. إنه أكثر أهمية في 5G RFFEs منه في إصدارات 3G و 4G السابقة. الحد الأدنى من زمن الوصول لشبكة 5G هو 1 مللي ثانية أو أقل. من ناحية أخرى ، في أنظمة 4G ، يكون زمن الانتقال من 50 مللي ثانية إلى 98 مللي ثانية ، وفي أنظمة الجيل الثالث عند 3 مللي ثانية ، وفي أنظمة 212G بسرعة هائلة تبلغ 2 مللي ثانية. تستخدم خدمات 629G الجديدة الآن ميزة الاتصال منخفضة الكمون فائقة الموثوقية لإدارة المشكلات المتعلقة بوقت الاستجابة.
حلول RFFE المتكاملة للغاية ، مثل Qualcomm X55 5G Modem-RF System ، التي تدعم أي مجموعة من نطاقات التردد والأوضاع تسمح للمهندسين بالتركيز على التصميم الصناعي وواجهة المستخدم ، وبالتالي تقديم منتجات أفضل في وقت أقصر وبتكلفة أقل. (المصدر: Qualcomm)
يُظهر ملخص مشكلات RFFE في تصميمات 5G الطبيعة التخريبية لتقنيات الترددات اللاسلكية. خاصة، عندما تقترب عينة التردد اللاسلكي من الهوائي، مما يؤدي بدوره إلى تبسيط وتقليص عوامل الشكل الراديوي وتمكين مستويات أعلى من التكامل. إذن عند هذا التكنلوجيا عند مفترق الطرق، ما الذي تفعله الصناعة لتسهيل مستويات أكبر من التكامل مع إبقاء تعقيد التصميم تحت السيطرة؟ يلقي القسم التالي نظرة فاحصة على مبادرة صناعة الترددات اللاسلكية.
تحالف OpenRF
تهدف OpenRF Association (OpenRF) التي تم إنشاؤها مؤخرًا إلى إنشاء قابلية التشغيل البيني الوظيفي للأجهزة والبرامج عبر نهايات RF متعددة الأوضاع في تصميمات 5G. سيعمل هذا الإطار المفتوح على توحيد واجهات الأجهزة والبرامج مع استمرار السماح بابتكار التصميم بين موردي حلول الترددات اللاسلكية. من بين الأعضاء المؤسسين للكونسورتيوم Broadcom و Intel و MediaTek و Murata و Qorvo و Samsung.
وفقًا لجو مادن ، المحلل الرئيسي في Mobile Experts ، تحتاج صناعة الهاتف المحمول بشكل متزايد إلى بنية للتعامل مع التعقيد ، وهو الآن سمة مميزة لتصميمات الواجهة الأمامية للترددات اللاسلكية. قال "OpenRF ستوحد اللبنات الأساسية في المجالات غير التنافسية وبالتالي تسمح لبائعي RFFE بتركيز جهودهم على النقطة الحادة للابتكار".
ومن الجدير بالذكر أن مواصفات MIPI RFFE التي تحدد واجهة التحكم الخاصة بالواجهة الأمامية للتردد اللاسلكي سيستمر تطويرها ضمن مجموعة عمل RFFE التابعة لتحالف MIPI. علاوة على ذلك ، تعمل OpenRF حاليًا على اتفاقية اتصال مع تحالف MIPI.
يعد المخطط أعلاه لتحديات تصميم الواجهة الأمامية للترددات اللاسلكية ، والحلول ، ومبادرات الصناعة للهاتف 5G وتطبيقات البنية التحتية شهادة على محرك تكامل فائق يجعل نمط RFFE أقرب إلى الواقع. علاوة على ذلك ، في حين أن الواجهات الأمامية للترددات الراديوية (RF) تقوم بتعبئة مكونات أساسية في التوجيه والترشيح وتضخيم الإشارات من وإلى الهوائيات ، فإن هذه التصميمات شديدة التكامل ستؤثر بشكل مباشر على استهلاك طاقة الجهاز. هذا أمر بالغ الأهمية في تصميمات أجهزة الجيل الخامس التي توفر عمر بطارية طوال اليوم
حول الأجهزة التناظرية