Las primeras implementaciones de 5G comenzaron a fines de 2019 y, desde entonces, los diseños de RF front-end (RFFE) han recorrido un largo camino en términos de mayor integración y soporte para operaciones multimodo que van desde radios 5G a 2G.
Por ejemplo, los convertidores de datos en estos RFFE ahora admiten los anchos de banda de canal disponibles en bandas de ondas milimétricas (mmWave). Eso, a su vez, abrirá las puertas a la generalización de las arquitecturas de RF y reducirá potencialmente la complejidad de los circuitos de RF al acercar la brecha digital-analógica a la antena.
Los RFFE también se conocen como módulos frontales. Estas partes utilizan arquitecturas de particiones inteligentes para integrar amplificadores de alta velocidad, recibir convertidores de analógico a digital y convertir la ruta de transmisión de digital a analógico junto con diseños de filtros de alta frecuencia cada vez más reducidos. La integración es el nombre del juego en los diseños de radio 5G, ya que las soluciones de RF discretas ya no son suficientes.
Tome los diseños RFFE de Qualcomm que integran varios componentes de RF entre el módem y la antena. Estas soluciones de módem a antena combinan módem, transceptor de RF, componentes frontales de RF y módulos de antena, lo que permite a los OEM móviles comercializar rápidamente dispositivos con soporte para nuevas bandas de frecuencia como n53, n70 y n259 en el 41- Banda de GHz.
Uno de los últimos ejemplos es el sistema de módem-RF Snapdragon X65 5G, la solución de módem a antena 5G de cuarta generación de Qualcomm. El Snapdragon X65 admite la agregación de espectro de hasta 1 GHz en el espectro de onda mm y 300 MHz de espectro por debajo de 6 GHz.
El X65 es una solución de módem a antena 5G de cuarta generación que presenta capacidades de sintonización de antena y agregación de espectro. (Fuente: Qualcomm)
Luego están los frontales de RF ADR554x para radios MIMO (M-MIMO) masivas de Analog Devices Inc. Estos RFFE aumentan enormemente el número de canales de transceptor simultáneos que operan en múltiples bandas mientras exprimen todo el hardware necesario en un factor de forma más pequeño.
La familia ADR554x de interfaces de RF incorpora un interruptor de alta potencia en el proceso de silicio y un amplificador de alto rendimiento y bajo ruido en el proceso de GaAs. Estos frontales de RF, que cubren bandas celulares de 1.8 GHz a 5.3 GHz, están diseñados de manera óptima para interfaces de antena M-MIMO.
Como resultado, con una mayor cantidad de antenas y bandas que necesitan soporte y una gran cantidad de componentes necesarios para lograr una cobertura adecuada, vemos una complejidad sin precedentes en el ámbito de la RF. Entonces, al principio, la creciente complejidad de las radios 5G limitó el número de fabricantes con la experiencia para desarrollar subsistemas de RF tan complejos. Sin embargo, ahora más proveedores están asumiendo el desafío de RFFE a medida que maduran los diseños 5G.
Desafíos de diseño de front-end de RF
El diseño de RF representa una gran oportunidad en las redes 5G en medio del despliegue de una gran cantidad de estaciones base en entornos de mini, micro, pico y femtocélula, así como nuevos dispositivos terminales para Internet de las cosas e industrial. Aplicaciones de IoT. Es probable que eso agregue un crecimiento masivo en dispositivos conectados para casos de uso y requisitos muy diversos.
La eficiencia espectral y la reutilización, las velocidades más altas y la latencia más baja son consideraciones importantes para que los diseños RFFE cumplan con este aumento masivo en la capacidad de tráfico de datos inalámbricos. En primer lugar, la eficiencia espectral es vital porque las frecuencias mmWave, el espectro por encima de 6 GHz, han llamado mucho la atención por una amplia disponibilidad de ancho de banda.
Sin embargo, la transmisión en la banda mmWave es más desafiante en áreas al aire libre, y la tarea de un diseño RFFE es mejorar la alta pérdida de trayectoria, alto oxígeno y H2Absorción de O, pérdidas a través del follaje y desvanecimiento debido a la lluvia. Por lo tanto, los diseñadores de RF están empleando tecnologías de formación y seguimiento de haces para superar las características desfavorables del canal en la frecuencia mmWave.
En segundo lugar, la velocidad es crucial en los diseños RFFE porque las arquitecturas de radio 5G operan a velocidades de datos mucho más altas que los sistemas 2G, 3G y 4G anteriores. Los actuales sistemas 5G son 10 veces más rápidos que los radios 4G LTE.
En tercer lugar, la latencia es el nuevo elemento, junto con un acceso más rápido en los diseños 5G. Es mucho más importante en las RFFE 5G que en las versiones anteriores de 3G y 4G. 5G tiene una latencia mínima de 1 ms o menos. Por otro lado, en los sistemas 4G, la latencia es de 50 ms a 98 ms, en los sistemas 3G en 212 ms y en los sistemas 2G en la friolera de 629 ms. Los nuevos servicios 5G ahora emplean la función de comunicación de baja latencia ultra confiable para administrar los problemas relacionados con la latencia.
Las soluciones RFFE altamente integradas, como el sistema Qualcomm X55 5G Modem-RF, que admiten cualquier combinación de modos y bandas de frecuencia, permiten a los ingenieros centrarse en el diseño industrial y la interfaz de usuario, ofreciendo así mejores productos en menos tiempo y a un menor costo. (Fuente: Qualcomm)
La sinopsis de los problemas de RFFE en los diseños 5G muestra la naturaleza disruptiva de las tecnologías de RF. Especialmente, cuando el muestreo de RF se acerca a la antena, lo que, a su vez, simplificará y reducirá los factores de forma de radio y permitirá mayores niveles de integración. Entonces en esto la tecnología Encrucijada, ¿qué está haciendo la industria para facilitar mayores niveles de integración y al mismo tiempo mantener bajo control la complejidad del diseño? La siguiente sección analiza más de cerca una iniciativa de la industria de RF.
Consorcio OpenRF
La recientemente establecida Open RF Association (OpenRF) tiene como objetivo crear interoperabilidad funcional de hardware y software a través de interfaces de RF multimodo en diseños 5G. Este marco abierto estandarizará las interfaces de hardware y software y, al mismo tiempo, permitirá la innovación en el diseño entre los proveedores de soluciones de RF. Los miembros fundadores del consorcio incluyen Broadcom, Intel, MediaTek, Murata, Qorvo y Samsung.
Según Joe Madden, analista principal de Mobile Experts, la industria móvil necesita cada vez más una estructura para hacer frente a la complejidad, que ahora es un sello distintivo de los diseños frontales de RF. “OpenRF estandarizará los componentes básicos en áreas no competitivas y, por lo tanto, permitirá a los proveedores de RFFE concentrar sus esfuerzos en el punto más agudo de la innovación”, dijo.
Vale la pena señalar que la especificación MIPI RFFE que define la interfaz de control de la interfaz de RF continuará desarrollándose dentro del Grupo de trabajo RFFE de MIPI Alliance. Además, OpenRF está trabajando actualmente en un acuerdo de enlace con MIPI Alliance.
El esquema anterior de los desafíos, las soluciones y las iniciativas de la industria de diseño de front-end de RF para aplicaciones de infraestructura y teléfonos 5G es un testimonio de un impulso de hiperintegración que acerca la modularización RFFE cada vez más a la realidad. Además, mientras que los frontales de RF son componentes de empaquetado esenciales en el enrutamiento, filtrado y amplificación de señales hacia y desde las antenas, estos diseños altamente integrados impactarán directamente en el consumo de energía del dispositivo. Eso es fundamental en los diseños de dispositivos 5G que ofrecen una batería que dura todo el día.
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