De vroege 5G-implementaties begonnen eind 2019 en sindsdien hebben RF-front-end (RFFE)-ontwerpen een lange weg afgelegd in termen van hogere integratie en ondersteuning voor multimode-operaties, variërend van 5G tot 2G-radio's.
Gegevensconverters in deze RFFE's ondersteunen nu bijvoorbeeld de kanaalbandbreedtes die beschikbaar zijn in millimetergolfbanden (mmWave). Dat zal op zijn beurt de deuren openen voor de veralgemening van RF-architecturen en mogelijk de complexiteit van RF-circuits verminderen door de digitaal-analoge kloof dichter bij de antenne te brengen.
RFFE's worden ook wel front-end modules genoemd. Deze onderdelen maken gebruik van slimme partitioneringsarchitecturen om snelle versterkers te integreren, analoog-naar-digitaal-omzetters te ontvangen en digitaal-naar-analoog-omzetters te verzenden, samen met steeds kleiner wordende hoogfrequente filterontwerpen. Integratie is de naam van het spel in 5G-radio-ontwerpen, omdat discrete RF-oplossingen niet langer voldoende zijn.
Neem de RFFE-ontwerpen van Qualcomm die verschillende RF-componenten tussen modem en antenne integreren. Deze modem-naar-antenne-oplossingen brengen modem, RF-transceiver, RF-front-endcomponenten en antennemodules samen, waardoor mobiele OEM's snel apparaten op de markt kunnen brengen met ondersteuning voor nieuwe frequentiebanden zoals n53, n70 en n259 in de 41- GHz-band.
Een van de nieuwste voorbeelden is het Snapdragon X65 5G modem-RF-systeem, Qualcomm's vierde generatie 5G modem-naar-antenne-oplossing. De Snapdragon X65 ondersteunt spectrumaggregatie tot 1 GHz in het mmWave-spectrum en 300 MHz sub-6-GHz-spectrum.
De X65 is een 5G-modem-naar-antenne-oplossing van de vierde generatie met antenneafstemming en spectrumaggregatiemogelijkheden. (Bron: Qualcomm)
Dan zijn er ADR554x RF-frontends voor massieve MIMO (M-MIMO)-radio's van Analog Devices Inc. Deze RFFE's vergroten het aantal gelijktijdige zendontvangerkanalen die in meerdere banden werken enorm, terwijl alle benodigde hardware in een kleinere vormfactor wordt geperst.
De ADR554x-familie van RF-frontends bevat een krachtige schakelaar in siliciumproces en een krachtige versterker met weinig ruis in GaAs-proces. Deze RF-frontends, die mobiele banden van 1.8 GHz tot 5.3 GHz bestrijken, zijn optimaal ontworpen voor M-MIMO-antenne-interfaces.
Als gevolg hiervan zien we met een groter aantal antennes en banden die moeten worden ondersteund en een groot aantal componenten die nodig zijn om voldoende dekking te bereiken, een ongekende complexiteit in het RF-rijk. Dus in het begin beperkte de toenemende complexiteit van 5G-radio's het aantal fabrikanten met de expertise om dergelijke complexe RF-subsystemen te ontwikkelen. Meer leveranciers gaan nu echter de RFFE-uitdaging aan naarmate 5G-ontwerpen volwassen worden.
RF front-end ontwerpuitdagingen front
RF-ontwerp vertegenwoordigt een enorme kans in 5G-netwerken te midden van de inzet van een groot aantal basisstations in mini-, micro-, pico- en femto-celomgevingen, evenals nieuwe eindapparaten voor het internet der dingen en industriële IoT-toepassingen. Dat zal waarschijnlijk leiden tot een enorme groei in verbonden apparaten voor zeer uiteenlopende gebruiksscenario's en vereisten.
Spectrale efficiëntie en hergebruik, hogere snelheden en lagere latentie zijn belangrijke overwegingen voor RFFE-ontwerpen om te voldoen aan deze enorme toename van de capaciteit van draadloos dataverkeer. Spectrale efficiëntie is in de eerste plaats essentieel omdat mmWave-frequenties, het spectrum boven 6 GHz, veel aandacht hebben gekregen voor een uitgebreide bandbreedtebeschikbaarheid.
Transmissie in de mmWave-band is echter het meest uitdagend in buitenruimtes, en de taak van een RFFE-ontwerp is het verbeteren van hoog padverlies, hoge zuurstof- en H2O opname, verliezen door het gebladerte en verbleken door regen. Daarom gebruiken RF-ontwerpers beamforming- en beam-tracking-technologieën om ongunstige kanaalkarakteristieken in de mmWave-frequentie te overwinnen.
Ten tweede is snelheid cruciaal in RFFE-ontwerpen omdat 5G-radio-architecturen met veel hogere datasnelheden werken dan eerdere 2G-, 3G- en 4G-systemen. De huidige 5G-systemen zijn 10× sneller dan 4G LTE-radio's.
Ten derde is latentie het nieuwe element, samen met snellere toegang in 5G-ontwerpen. Het is veel belangrijker in 5G RFFE's dan in eerdere 3G- en 4G-versies. 5G heeft een minimale latentie van 1 ms of minder. Aan de andere kant is de latentie in 4G-systemen 50 ms tot 98 ms, in 3G-systemen 212 ms en in 2G-systemen maar liefst 629 ms. De nieuwe 5G-services maken nu gebruik van de uiterst betrouwbare communicatiefunctie met lage latentie om latentiegerelateerde problemen te beheren.
Sterk geïntegreerde RFFE-oplossingen, zoals het Qualcomm X55 5G Modem-RF-systeem, die elke combinatie van frequentiebanden en modi ondersteunen, stellen ingenieurs in staat zich te concentreren op industrieel ontwerp en de gebruikersinterface, waardoor betere producten in kortere tijd en tegen lagere kosten worden geleverd. (Bron: Qualcomm)
De samenvatting van RFFE-problemen in 5G-ontwerpen toont het ontwrichtende karakter van RF-technologieën. Vooral wanneer RF-sampling dichter bij de antenne komt, wat op zijn beurt de radiovormfactoren zal vereenvoudigen en verkleinen en hogere niveaus van integratie mogelijk zal maken. Dus bij deze technologie Wat doet de industrie op dit kruispunt om grotere integratieniveaus mogelijk te maken en tegelijkertijd de ontwerpcomplexiteit onder controle te houden? In het volgende gedeelte wordt dieper ingegaan op een initiatief van de RF-industrie.
OpenRF-consortium
De onlangs opgerichte Open RF Association (OpenRF) heeft tot doel functionele interoperabiliteit van hardware en software te creëren over multimode RF-frontends in 5G-ontwerpen. Dit open raamwerk zal hardware- en software-interfaces standaardiseren en tegelijkertijd ontwerpinnovatie mogelijk maken bij leveranciers van RF-oplossingen. De stichtende leden van het consortium zijn Broadcom, Intel, MediaTek, Murata, Qorvo en Samsung.
Volgens Joe Madden, hoofdanalist bij Mobile Experts, heeft de mobiele industrie in toenemende mate behoefte aan structuur om met de complexiteit om te gaan, wat nu een kenmerk is van RF-front-end-ontwerpen. "OpenRF zal bouwstenen in niet-concurrerende gebieden standaardiseren en zo RFFE-leveranciers in staat stellen hun inspanningen te concentreren op het scherpe punt van innovatie", zei hij.
Het is vermeldenswaard dat de MIPI RFFE-specificatie die de besturingsinterface van de RF-frontend definieert, verder zal worden ontwikkeld binnen de RFFE-werkgroep van de MIPI Alliance. Bovendien werkt OpenRF momenteel aan een samenwerkingsovereenkomst met de MIPI Alliance.
Het bovenstaande overzicht van RF front-end ontwerpuitdagingen, oplossingen en industrie-initiatieven voor 5G-handset- en infrastructuurtoepassingen is een bewijs van een hyperintegratie-drive die RFFE-modularisering steeds dichter bij de realiteit brengt. Bovendien, hoewel RF-frontends essentiële componenten zijn voor het routeren, filteren en versterken van signalen van en naar de antennes, zullen deze sterk geïntegreerde ontwerpen een directe invloed hebben op het stroomverbruik van het apparaat. Dat is van cruciaal belang bij ontwerpen van 5G-apparaten met een batterij die de hele dag meegaat.
over Analoge ApparatenQualcomm