การใช้งาน 5G ในช่วงต้นเริ่มต้นเมื่อปลายปี 2019 และตั้งแต่นั้นมา การออกแบบ RF front-end (RFFE) ได้พัฒนามาไกลในแง่ของการผสานรวมที่สูงขึ้นและรองรับการทำงานแบบมัลติโหมดตั้งแต่วิทยุ 5G ถึง 2G
ตัวอย่างเช่น ตัวแปลงข้อมูลใน RFFE เหล่านี้สนับสนุนแบนด์วิดท์ของช่องสัญญาณที่มีอยู่ในแถบคลื่นมิลลิเมตร (mmWave) ในทางกลับกัน จะเปิดประตูสำหรับการวางโครงสร้างทั่วไปของสถาปัตยกรรม RF และอาจลดความซับซ้อนของวงจร RF ลงได้โดยการเคลื่อนตัวแบ่งดิจิทัลแอนะล็อกใกล้กับเสาอากาศ
RFFE เรียกอีกอย่างว่าโมดูลส่วนหน้า ชิ้นส่วนเหล่านี้ใช้สถาปัตยกรรมการแบ่งพาร์ติชั่นอัจฉริยะเพื่อรวมเอาแอมพลิฟายเออร์ความเร็วสูง รับตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล และส่งคอนเวอร์เตอร์ดิจิทัลเป็นแอนะล็อกเส้นทางพร้อมกับการออกแบบตัวกรองความถี่สูงที่ลดขนาดลงตลอดเวลา การบูรณาการเป็นชื่อของเกมในการออกแบบวิทยุ 5G เนื่องจากโซลูชัน RF แบบแยกไม่เพียงพออีกต่อไป
ใช้การออกแบบ RFFE ของ Qualcomm ที่รวมส่วนประกอบ RF หลายอย่างระหว่างโมเด็มและเสาอากาศ โซลูชันโมเด็มต่อเสาอากาศเหล่านี้รวมโมเด็ม ตัวรับส่งสัญญาณ RF ส่วนประกอบ RF front-end และโมดูลเสาอากาศเข้าด้วยกัน ซึ่งช่วยให้ OEM มือถือสามารถทำการค้าอุปกรณ์ได้อย่างรวดเร็วด้วยการสนับสนุนคลื่นความถี่ใหม่ เช่น n53, n70 และ n259 ใน 41 แถบความถี่กิกะเฮิรตซ์
หนึ่งในตัวอย่างล่าสุดคือระบบโมเด็ม-RF ของ Snapdragon X65 5G ซึ่งเป็นโซลูชันโมเด็มต่อเสาอากาศ 5G รุ่นที่สี่ของ Qualcomm Snapdragon X65 รองรับการรวมสเปกตรัมสูงถึง 1 GHz ในสเปกตรัม mmWave และ 300 MHz ของสเปกตรัมย่อย-6-GHz
X65 เป็นโซลูชันโมเด็มต่อเสาอากาศ 5G รุ่นที่ XNUMX ที่มีคุณสมบัติในการปรับเสาอากาศและการรวมสเปกตรัม (ที่มา: วอลคอมม์)
จากนั้นมี ADR554x RF front end สำหรับวิทยุ MIMO (M-MIMO) ขนาดใหญ่จาก Analog Devices Inc. RFFE เหล่านี้เพิ่มจำนวนช่องสัญญาณตัวรับส่งสัญญาณพร้อมกันอย่างมากซึ่งทำงานในหลายแถบในขณะที่บีบฮาร์ดแวร์ที่จำเป็นทั้งหมดให้มีขนาดเล็กลง
RF front end ในตระกูล ADR554x รวมสวิตช์กำลังสูงในกระบวนการซิลิกอนและแอมพลิฟายเออร์สัญญาณรบกวนต่ำประสิทธิภาพสูงในกระบวนการ GaAs ส่วนหน้า RF เหล่านี้ ซึ่งครอบคลุมย่านความถี่เซลลูลาร์ตั้งแต่ 1.8 GHz ถึง 5.3 GHz ได้รับการออกแบบมาอย่างเหมาะสมที่สุดสำหรับอินเทอร์เฟซเสาอากาศ M-MIMO
ด้วยเหตุนี้ ด้วยจำนวนเสาอากาศและแถบความถี่ที่สูงขึ้นซึ่งจำเป็นต้องได้รับการสนับสนุนและส่วนประกอบจำนวนมากที่จำเป็นเพื่อให้ครอบคลุมเพียงพอ เราจึงเห็นความซับซ้อนที่ไม่เคยมีมาก่อนในขอบเขต RF ดังนั้นในช่วงแรก ความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของวิทยุ 5G จำกัดจำนวนผู้ผลิตที่มีความเชี่ยวชาญในการพัฒนาระบบย่อย RF ที่ซับซ้อนดังกล่าว อย่างไรก็ตาม ซัพพลายเออร์จำนวนมากขึ้นกำลังก้าวไปสู่ความท้าทาย RFFE เนื่องจากการออกแบบ 5G เติบโตขึ้น
ความท้าทายในการออกแบบ RF front-end
การออกแบบ RF แสดงถึงโอกาสอันยิ่งใหญ่ในเครือข่าย 5G ท่ามกลางการติดตั้งสถานีฐานจำนวนมากในสภาพแวดล้อมแบบมินิ ไมโคร พิโค และเฟมโตเซลล์ ตลอดจนอุปกรณ์ปลายทางใหม่สำหรับอินเทอร์เน็ตของสิ่งของและอุตสาหกรรม แอพพลิเคชั่น IoT มีแนวโน้มว่าจะเพิ่มการเติบโตอย่างมากในอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อสำหรับกรณีการใช้งานและข้อกำหนดที่หลากหลาย
ประสิทธิภาพสเปกตรัมและการนำกลับมาใช้ใหม่ ความเร็วสูงขึ้น และเวลาแฝงที่ต่ำกว่าคือข้อพิจารณาที่สำคัญสำหรับการออกแบบ RFFE เพื่อตอบสนองการเพิ่มความจุการรับส่งข้อมูลแบบไร้สาย อย่างแรกและสำคัญที่สุด ประสิทธิภาพสเปกตรัมมีความสำคัญเนื่องจากความถี่ mmWave สเปกตรัมที่สูงกว่า 6 GHz ได้ดึงดูดความสนใจอย่างมากสำหรับความพร้อมใช้งานของแบนด์วิดท์ที่กว้างขวาง
อย่างไรก็ตาม การส่งสัญญาณในย่าน mmWave นั้นท้าทายที่สุดในพื้นที่กลางแจ้ง และงานของการออกแบบ RFFE คือการปรับปรุงการสูญเสียเส้นทางสูง ออกซิเจนสูงและ H2โอ การดูดซึม การสูญเสียผ่านใบไม้ และสีซีดจางเนื่องจากฝน ดังนั้น นักออกแบบ RF จึงใช้เทคโนโลยี beamforming และ beam-tracking เพื่อเอาชนะคุณลักษณะของช่องสัญญาณที่ไม่เอื้ออำนวยในความถี่ mmWave
ประการที่สอง ความเร็วเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบ RFFE เนื่องจากสถาปัตยกรรมวิทยุ 5G ทำงานที่อัตราข้อมูลที่สูงกว่าระบบ 2G, 3G และ 4G รุ่นก่อนมาก ระบบ 5G ปัจจุบันเร็วกว่าวิทยุ 10G LTE ถึง 4 เท่า
ประการที่สาม เวลาแฝงเป็นองค์ประกอบใหม่ พร้อมกับการเข้าถึงที่รวดเร็วยิ่งขึ้นในการออกแบบ 5G RFFE 5G มีความสำคัญมากกว่าในรุ่น 3G และ 4G ก่อนหน้าอย่างมาก 5G มีเวลาแฝงขั้นต่ำ 1 ms หรือน้อยกว่า ในทางกลับกัน ในระบบ 4G เวลาแฝงอยู่ที่ 50 ms ถึง 98 ms ในระบบ 3G ที่ 212 ms และในระบบ 2G ที่ 629 ms มหันต์ บริการ 5G ใหม่กำลังใช้คุณสมบัติการสื่อสารที่มีเวลาแฝงต่ำที่น่าเชื่อถือเป็นพิเศษเพื่อจัดการปัญหาที่เกี่ยวข้องกับเวลาแฝง
โซลูชัน RFFE แบบบูรณาการระดับสูง เช่น Qualcomm X55 5G Modem-RF System ที่รองรับย่านความถี่และโหมดต่างๆ ช่วยให้วิศวกรสามารถมุ่งเน้นไปที่การออกแบบอุตสาหกรรมและอินเทอร์เฟซผู้ใช้ จึงสามารถนำเสนอผลิตภัณฑ์ที่ดีขึ้นในเวลาอันสั้นและต้นทุนที่ต่ำลง (ที่มา: วอลคอมม์)
บทสรุปของปัญหา RFFE ในการออกแบบ 5G แสดงให้เห็นถึงลักษณะการเปลี่ยนแปลงของเทคโนโลยี RF โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อการสุ่มตัวอย่าง RF เข้าใกล้เสาอากาศมากขึ้น ซึ่งในทางกลับกัน จะลดความซับซ้อนและลดขนาดฟอร์มแฟคเตอร์วิทยุ และช่วยให้สามารถบูรณาการในระดับที่สูงขึ้นได้ แล้วที่นี้ เทคโนโลยี ทางแยก อุตสาหกรรมกำลังทำอะไรเพื่ออำนวยความสะดวกในการบูรณาการในระดับที่มากขึ้น ในขณะเดียวกันก็รักษาความซับซ้อนของการออกแบบไว้ในการควบคุม? ส่วนต่อไปนี้จะพิจารณาความคิดริเริ่มของอุตสาหกรรม RF อย่างละเอียดยิ่งขึ้น
สมาคม OpenRF
Open RF Association (OpenRF) ที่จัดตั้งขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างความสามารถในการทำงานร่วมกันของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ผ่านส่วนหน้า RF แบบมัลติโหมดในการออกแบบ 5G เฟรมเวิร์กแบบเปิดนี้จะสร้างมาตรฐานอินเทอร์เฟซสำหรับฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ ในขณะที่ยังคงให้นวัตกรรมการออกแบบระหว่างซัพพลายเออร์โซลูชัน RF สมาชิกผู้ก่อตั้งของกลุ่ม ได้แก่ Broadcom, Intel, MediaTek, Murata, Qorvo และ Samsung
Joe Madden นักวิเคราะห์หลักของ Mobile Experts กล่าวว่า อุตสาหกรรมอุปกรณ์เคลื่อนที่ต้องการโครงสร้างมากขึ้นในการจัดการกับความซับซ้อน ซึ่งปัจจุบันเป็นจุดเด่นของการออกแบบ RF front-end “OpenRF จะสร้างมาตรฐานบล็อคในพื้นที่ที่ไม่มีการแข่งขัน และทำให้ผู้จำหน่าย RFFE สามารถมุ่งเน้นความพยายามของพวกเขาในประเด็นที่เฉียบแหลมของนวัตกรรม” เขากล่าว
เป็นที่น่าสังเกตว่าข้อกำหนด MIPI RFFE ที่กำหนดอินเทอร์เฟซการควบคุมของส่วนหน้า RF จะยังคงได้รับการพัฒนาต่อไปภายในคณะทำงาน RFFE ของ MIPI Alliance นอกจากนี้ OpenRF กำลังทำงานในข้อตกลงประสานงานกับ MIPI Alliance
โครงร่างข้างต้นของความท้าทายด้านการออกแบบ RF front-end โซลูชัน และการริเริ่มของอุตสาหกรรมสำหรับโทรศัพท์มือถือ 5G และแอปพลิเคชันโครงสร้างพื้นฐานเป็นข้อพิสูจน์ถึงไดรฟ์การรวมแบบไฮเปอร์ที่ทำให้ RFFE modularization นอกจากนี้ แม้ว่าส่วนหน้า RF จะบรรจุส่วนประกอบที่จำเป็นในการกำหนดเส้นทาง การกรอง และการขยายสัญญาณเข้าและออกจากเสาอากาศ การออกแบบที่ผสานรวมอย่างสูงเหล่านี้จะส่งผลโดยตรงต่อการใช้พลังงานของอุปกรณ์ นั่นเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบอุปกรณ์ 5G ที่ให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ตลอดทั้งวัน
เกี่ยวกับ Analog DevicesQualcomm