Les premières implémentations de la 5G ont commencé à la fin de 2019, et depuis lors, les conceptions RF frontales (RFFE) ont parcouru un long chemin en termes d'intégration et de prise en charge accrues du fonctionnement multimode allant de la 5G aux radios 2G.
Par exemple, les convertisseurs de données de ces RFFE prennent désormais en charge les bandes passantes de canaux disponibles dans les bandes d'ondes millimétriques (mmWave). Cela, à son tour, ouvrira les portes pour la généralisation des architectures RF et réduira potentiellement la complexité des circuits RF en rapprochant la division numérique-analogique de l'antenne.
Les RFFE sont également appelés modules frontaux. Ces composants utilisent des architectures de partitionnement intelligentes pour intégrer des amplificateurs à grande vitesse, recevoir des convertisseurs analogique-numérique et transmettre des convertisseurs numérique-analogique avec des conceptions de filtres haute fréquence de plus en plus réduites. L'intégration est le nom du jeu dans les conceptions de radio 5G, car les solutions RF discrètes ne suffisent plus.
Prenez les conceptions RFFE de Qualcomm qui intègrent plusieurs composants RF entre le modem et l'antenne. Ces solutions modem-antenne rassemblent un modem, un émetteur-récepteur RF, des composants frontaux RF et des modules d'antenne, permettant ainsi aux OEM mobiles de commercialiser rapidement des appareils prenant en charge de nouvelles bandes de fréquences telles que n53, n70 et n259 dans le 41- bande GHz.
L'un des derniers exemples est le système modem-RF Snapdragon X65 5G, la solution modem-antenne 5G de quatrième génération de Qualcomm. Le Snapdragon X65 prend en charge l'agrégation de spectre jusqu'à 1 GHz dans le spectre mmWave et 300 MHz dans le spectre inférieur à 6 GHz.
Le X65 est une solution modem-antenne 5G de quatrième génération qui offre des capacités de réglage d'antenne et d'agrégation de spectre. (Source : Qualcomm)
Ensuite, il existe des frontaux RF ADR554x pour les radios MIMO massives (M-MIMO) d'Analog Devices Inc. Ces RFFE augmentent considérablement le nombre de canaux d'émetteur-récepteur simultanés fonctionnant sur plusieurs bandes tout en comprimant tout le matériel nécessaire dans un facteur de forme plus petit.
La famille de frontaux RF ADR554x intègre un commutateur haute puissance en procédé au silicium et un amplificateur à faible bruit hautes performances en procédé GaAs. Ces frontaux RF, qui couvrent les bandes cellulaires de 1.8 GHz à 5.3 GHz, sont conçus de manière optimale pour les interfaces d'antenne M-MIMO.
En conséquence, avec un nombre plus élevé d'antennes et de bandes qui doivent être prises en charge et un grand nombre de composants nécessaires pour obtenir une couverture adéquate, nous constatons une complexité sans précédent dans le domaine RF. Ainsi, au début, la complexité croissante des radios 5G a limité le nombre de fabricants possédant l'expertise nécessaire pour développer des sous-systèmes RF aussi complexes. Cependant, de plus en plus de fournisseurs relèvent désormais le défi RFFE à mesure que les conceptions 5G arrivent à maturité.
Défis de conception RF front-end
La conception RF représente une énorme opportunité dans les réseaux 5G dans le cadre du déploiement d'un grand nombre de stations de base dans des environnements mini-, micro-, pico- et femto-cellules, ainsi que de nouveaux terminaux pour l'Internet des objets et l'industrie Applications IdO. Cela est susceptible d'ajouter une croissance massive des appareils connectés pour des cas d'utilisation et des exigences très divers.
L'efficacité et la réutilisation spectrales, des vitesses plus élevées et une latence plus faible sont des considérations majeures pour les conceptions RFFE pour répondre à cette augmentation massive de la capacité de trafic de données sans fil. Tout d'abord, l'efficacité spectrale est vitale car les fréquences mmWave, le spectre au-dessus de 6 GHz, ont beaucoup attiré l'attention pour une large disponibilité de la bande passante.
Cependant, la transmission dans la bande mmWave est la plus difficile dans les zones extérieures, et la tâche d'une conception RFFE est d'améliorer la perte de trajet élevée, la teneur élevée en oxygène et H2O absorption, pertes par le feuillage et décoloration due à la pluie. Les concepteurs RF utilisent donc des technologies de formation de faisceau et de suivi de faisceau pour surmonter les caractéristiques de canal défavorables dans la fréquence mmWave.
Deuxièmement, la vitesse est cruciale dans les conceptions RFFE, car les architectures radio 5G fonctionnent à des débits de données beaucoup plus élevés que les systèmes 2G, 3G et 4G antérieurs. Les systèmes 5G actuels sont 10 fois plus rapides que les radios 4G LTE.
Troisièmement, la latence est le nouvel élément, ainsi qu'un accès plus rapide dans les conceptions 5G. C'est beaucoup plus important dans les RFFE 5G que dans les versions 3G et 4G précédentes. La 5G a une latence minimale de 1 ms ou moins. D'autre part, dans les systèmes 4G, la latence est de 50 ms à 98 ms, dans les systèmes 3G à 212 ms et dans les systèmes 2G à 629 ms. Les nouveaux services 5G utilisent désormais la fonction de communication ultra-fiable à faible latence pour gérer les problèmes liés à la latence.
Les solutions RFFE hautement intégrées, comme le système Qualcomm X55 5G Modem-RF, qui prennent en charge n'importe quelle combinaison de bandes de fréquences et de modes permettent aux ingénieurs de se concentrer sur la conception industrielle et l'interface utilisateur, offrant ainsi de meilleurs produits dans un délai plus court et à moindre coût. (Source : Qualcomm)
Le résumé des problèmes RFFE dans les conceptions 5G montre la nature perturbatrice des technologies RF. En particulier, lorsque l'échantillonnage RF se rapproche de l'antenne, ce qui, à son tour, simplifiera et réduira les facteurs de forme radio et permettra des niveaux d'intégration plus élevés. Alors à ça sans souci À la croisée des chemins, que fait l'industrie pour faciliter des niveaux plus élevés d'intégration tout en maîtrisant la complexité de la conception ? La section suivante examine de plus près une initiative de l’industrie RF.
Consortium OpenRF
L'Open RF Association (OpenRF) récemment créée vise à créer une interopérabilité fonctionnelle du matériel et des logiciels entre les frontaux RF multimodes dans les conceptions 5G. Ce cadre ouvert standardisera les interfaces matérielles et logicielles tout en permettant l'innovation de conception parmi les fournisseurs de solutions RF. Les membres fondateurs du consortium sont Broadcom, Intel, MediaTek, Murata, Qorvo et Samsung.
Selon Joe Madden, analyste principal chez Mobile Experts, l'industrie mobile a de plus en plus besoin d'une structure pour faire face à la complexité, qui est désormais la marque de fabrique des conceptions RF frontales. "OpenRF standardisera les blocs de construction dans des domaines non concurrentiels et permettra ainsi aux fournisseurs RFFE de concentrer leurs efforts sur le point aigu de l'innovation", a-t-il déclaré.
Il convient de noter que la spécification MIPI RFFE définissant l'interface de contrôle du frontal RF continuera à être développée au sein du groupe de travail RFFE de l'Alliance MIPI. De plus, OpenRF travaille actuellement sur un accord de liaison avec l'Alliance MIPI.
L'aperçu ci-dessus des défis de conception RF front-end, des solutions et des initiatives de l'industrie pour les applications de combiné et d'infrastructure 5G témoigne d'un lecteur d'hyper intégration qui rapproche la modularisation RFFE de plus en plus de la réalité. De plus, alors que les frontaux RF contiennent des composants essentiels pour le routage, le filtrage et l'amplification des signaux vers et depuis les antennes, ces conceptions hautement intégrées auront un impact direct sur la consommation d'énergie de l'appareil. C'est essentiel dans les conceptions d'appareils 5G offrant une autonomie d'une journée.
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