As primeiras implementações de 5G começaram no final de 2019 e, desde então, os projetos de front-end de RF (RFFE) percorreram um longo caminho em termos de maior integração e suporte para operação multimodo variando de rádios 5G a 2G.
Por exemplo, os conversores de dados nesses RFFEs agora suportam as larguras de banda do canal disponíveis em bandas de ondas milimétricas (mmWave). Isso, por sua vez, abrirá as portas para a generalização das arquiteturas de RF e potencialmente reduzirá a complexidade dos circuitos de RF ao mover a divisão digital-analógica para mais perto da antena.
RFFEs também são conhecidos como módulos front-end. Essas peças usam arquiteturas de particionamento inteligente para integrar amplificadores de alta velocidade, receber conversores analógico para digital e transmitir conversores de caminho digital para analógico junto com designs de filtro de alta frequência cada vez menores. Integração é o nome do jogo em designs de rádio 5G, já que as soluções de RF discretas não são mais suficientes.
Considere os designs RFFE da Qualcomm que integram vários componentes de RF entre o modem e a antena. Essas soluções de modem para antena reúnem modem, transceptor de RF, componentes de front-end de RF e módulos de antena, permitindo que OEMs móveis comercializem rapidamente dispositivos com suporte para novas bandas de frequência, como n53, n70 e n259 no 41- Banda GHz.
Um dos exemplos mais recentes é o sistema de modem RF 65G Snapdragon X5, a solução de modem para antena 5G de quarta geração da Qualcomm. O Snapdragon X65 suporta agregação de espectro de até 1 GHz no espectro mmWave e 300 MHz do espectro sub-6-GHz.
O X65 é uma solução de modem para antena 5G de quarta geração que oferece recursos de ajuste de antena e agregação de espectro. (Fonte: Qualcomm)
Depois, há front-ends de RF ADR554x para rádios MIMO (M-MIMO) massivos da Analog Devices Inc. Esses RFFEs aumentam enormemente o número de canais transceptores simultâneos operando em várias bandas enquanto comprimem todo o hardware necessário em um formato menor.
A família ADR554x de front-ends de RF incorpora um switch de alta potência no processo de silício e um amplificador de baixo ruído de alto desempenho no processo GaAs. Esses front-ends de RF, que cobrem bandas celulares de 1.8 GHz a 5.3 GHz, são projetados de maneira ideal para interfaces de antena M-MIMO.
Como resultado, com um número maior de antenas e bandas que precisam ser suportadas e um grande número de componentes necessários para obter uma cobertura adequada, vemos uma complexidade sem precedentes no reino de RF. Portanto, no início, a complexidade crescente dos rádios 5G limitou o número de fabricantes com experiência para desenvolver subsistemas de RF complexos. No entanto, mais fornecedores estão agora se preparando para o desafio RFFE à medida que os designs 5G amadurecem.
Desafios de design de front-end de RF
O design de RF representa uma grande oportunidade em redes 5G em meio à implantação de um vasto número de estações base em ambientes de mini, micro, pico e femto-células, bem como novos dispositivos terminais para a internet das coisas e industrial Aplicativos IoT. Isso provavelmente adicionará um grande crescimento em dispositivos conectados para casos de uso e requisitos altamente diversos.
Eficiência e reutilização espectrais, velocidades mais altas e latência mais baixa são as principais considerações para os projetos RFFE para atender a esse grande aumento na capacidade de tráfego de dados wireless. Em primeiro lugar, a eficiência espectral é vital porque as frequências mmWave, o espectro acima de 6 GHz, atraíram muita atenção devido a uma ampla disponibilidade de largura de banda.
No entanto, a transmissão na banda mmWave é mais desafiadora em áreas externas, e a tarefa de um projeto RFFE é melhorar a alta perda de caminho, alto oxigênio e H2Absorção de óxido, perdas pela folhagem e desbotamento devido à chuva. Portanto, os projetistas de RF estão empregando tecnologias de formação de feixes e rastreamento de feixes para superar as características desfavoráveis do canal na frequência mmWave.
Em segundo lugar, a velocidade é crucial nos projetos RFFE porque as arquiteturas de rádio 5G operam com taxas de dados muito mais altas do que os sistemas 2G, 3G e 4G anteriores. Os atuais sistemas 5G são 10 × mais rápidos do que os rádios 4G LTE.
Terceiro, a latência é o novo elemento, junto com o acesso mais rápido em designs 5G. É muito mais importante em RFFEs 5G do que nas versões 3G e 4G anteriores. 5G tem uma latência mínima de 1 ms ou menos. Por outro lado, em sistemas 4G, a latência é de 50 ms a 98 ms, em sistemas 3G em 212 ms e em sistemas 2G em impressionantes 629 ms. Os novos serviços 5G agora estão empregando o recurso de comunicação de baixa latência ultraconfiável para gerenciar problemas relacionados à latência.
Soluções RFFE altamente integradas, como o sistema Qualcomm X55 5G Modem-RF, que suportam qualquer combinação de bandas de frequência e modos, permitem que os engenheiros se concentrem no design industrial e na interface do usuário, oferecendo produtos melhores em menos tempo e a um custo menor. (Fonte: Qualcomm)
A sinopse das questões de RFFE em projetos 5G mostra a natureza disruptiva das tecnologias de RF. Especialmente quando a amostragem de RF está se aproximando da antena, o que, por sua vez, simplificará e reduzirá os fatores de forma do rádio e permitirá níveis mais elevados de integração. Então nisso tecnologia Numa encruzilhada, o que a indústria está fazendo para facilitar maiores níveis de integração e, ao mesmo tempo, manter a complexidade do projeto sob controle? A seção a seguir analisa mais de perto uma iniciativa da indústria de RF.
Consórcio OpenRF
A recém-criada Open RF Association (OpenRF) visa criar interoperabilidade funcional de hardware e software em interfaces de RF multimodo em designs 5G. Essa estrutura aberta padronizará as interfaces de hardware e software, ao mesmo tempo em que permitirá a inovação de design entre os fornecedores de soluções de RF. Os membros fundadores do consórcio incluem Broadcom, Intel, MediaTek, Murata, Qorvo e Samsung.
De acordo com Joe Madden, analista principal da Mobile Experts, a indústria móvel precisa cada vez mais de estrutura para lidar com a complexidade, que agora é uma marca registrada dos designs de front-end de RF. “O OpenRF padronizará os blocos de construção em áreas não competitivas e, assim, permitirá que os fornecedores de RFFE concentrem seus esforços na ponta da inovação”, disse ele.
É importante notar que a especificação MIPI RFFE que define a interface de controle do front-end RF continuará a ser desenvolvida dentro do Grupo de Trabalho RFFE da Aliança MIPI. Além disso, a OpenRF está atualmente trabalhando em um acordo de ligação com a Aliança MIPI.
O esboço acima dos desafios de design de front-end de RF, soluções e iniciativas da indústria para aparelhos 5G e aplicativos de infraestrutura é um testamento para uma unidade de hiperintegração que traz a modularização RFFE cada vez mais perto da realidade. Além disso, enquanto os front-ends de RF empacotam componentes essenciais no roteamento, filtragem e amplificação de sinais de e para as antenas, esses designs altamente integrados afetarão diretamente o consumo de energia do dispositivo. Isso é crítico em designs de dispositivos 5G que oferecem bateria para o dia todo.
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