Việc triển khai 5G sớm đã bắt đầu vào cuối năm 2019 và kể từ đó, các thiết kế RF front-end (RFFE) đã trải qua một chặng đường dài về khả năng tích hợp cao hơn và hỗ trợ hoạt động đa chế độ từ 5G đến radio 2G.
Ví dụ: các bộ chuyển đổi dữ liệu trong các RFFE này hiện hỗ trợ băng thông kênh có sẵn ở băng tần sóng milimét (mmWave). Điều đó, đến lượt nó, sẽ mở ra cánh cửa cho việc tổng quát hóa các kiến trúc RF và có khả năng làm giảm độ phức tạp của mạch RF bằng cách di chuyển phân chia tương tự-kỹ thuật số đến gần ăng-ten hơn.
RFFE còn được gọi là mô-đun front-end. Các bộ phận này sử dụng kiến trúc phân vùng thông minh để tích hợp bộ khuếch đại tốc độ cao, nhận bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số và truyền dẫn bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự cùng với thiết kế bộ lọc tần số cao ngày càng thu hẹp. Tích hợp là tên của trò chơi trong các thiết kế vô tuyến 5G, vì các giải pháp RF rời rạc không còn đủ nữa.
Sử dụng thiết kế RFFE của Qualcomm tích hợp một số thành phần RF giữa modem và ăng-ten. Các giải pháp modem-ăng-ten này kết hợp modem, bộ thu phát RF, các thành phần đầu cuối RF và mô-đun ăng-ten, do đó cho phép các OEM di động nhanh chóng thương mại hóa các thiết bị có hỗ trợ các dải tần số mới như n53, n70 và n259 trong 41- Băng tần GHz.
Một trong những ví dụ mới nhất là hệ thống modem-RF Snapdragon X65 5G, giải pháp modem-ăng-ten 5G thế hệ thứ tư của Qualcomm. Snapdragon X65 hỗ trợ tổng hợp phổ tần số lên đến 1 GHz trong phổ mmWave và 300 MHz trong phổ tần dưới 6 GHz.
X65 là giải pháp modem đến ăng-ten 5G thế hệ thứ tư có tính năng điều chỉnh ăng-ten và khả năng tổng hợp phổ. (Nguồn: Qualcomm)
Sau đó, có giao diện người dùng ADR554x RF cho radio MIMO (M-MIMO) lớn từ Analog Devices Inc.
Họ ADR554x của mặt trước RF kết hợp công tắc công suất cao trong quy trình silicon và bộ khuếch đại tạp âm thấp hiệu suất cao trong quy trình GaAs. Các mặt trước RF này, bao gồm các băng tần di động từ 1.8 GHz đến 5.3 GHz, được thiết kế tối ưu cho giao diện ăng-ten M-MIMO.
Kết quả là, với số lượng ăng-ten và băng tần cần được hỗ trợ cao hơn và số lượng lớn các thành phần cần thiết để đạt được phạm vi phủ sóng thích hợp, chúng tôi thấy sự phức tạp chưa từng có trong lĩnh vực RF. Vì vậy, trong thời gian đầu, sự phức tạp ngày càng tăng của bộ đàm 5G đã hạn chế số lượng các nhà sản xuất có chuyên môn để phát triển các hệ thống con RF phức tạp như vậy. Tuy nhiên, nhiều nhà cung cấp hiện đang bước vào thách thức RFFE khi các thiết kế 5G hoàn thiện.
Những thách thức về thiết kế mặt trước của RF
Thiết kế RF thể hiện một cơ hội lớn trong mạng 5G trong bối cảnh việc triển khai một số lượng lớn các trạm gốc trong môi trường mini, micro-, pico- và femto-cell, cũng như các thiết bị đầu cuối mới cho internet vạn vật và công nghiệp Các ứng dụng IoT. Điều đó có khả năng tăng thêm sự phát triển lớn về các thiết bị được kết nối cho các trường hợp và yêu cầu sử dụng đa dạng.
Hiệu quả phổ và tái sử dụng, tốc độ cao hơn và độ trễ thấp hơn là những cân nhắc chính đối với các thiết kế RFFE để đáp ứng sự gia tăng lớn về dung lượng lưu lượng dữ liệu không dây. Đầu tiên và quan trọng nhất, hiệu quả phổ là rất quan trọng vì tần số mmWave, phổ trên 6 GHz, đã thu hút rất nhiều sự chú ý về khả năng cung cấp băng thông rộng rãi.
Tuy nhiên, việc truyền trong dải mmWave là thách thức nhất ở các khu vực ngoài trời và nhiệm vụ của thiết kế RFFE là cải thiện khả năng mất đường dẫn cao, lượng oxy cao và H2O sự hấp thụ, thất thoát qua tán lá, và tàn lụi do mưa. Vì vậy, các nhà thiết kế RF đang sử dụng công nghệ định dạng chùm và theo dõi chùm để khắc phục các đặc điểm kênh bất lợi trong tần số mmWave.
Thứ hai, tốc độ rất quan trọng trong các thiết kế RFFE vì các kiến trúc vô tuyến 5G hoạt động ở tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều so với các hệ thống 2G, 3G và 4G trước đây. Hệ thống 5G hiện tại nhanh hơn 10 lần so với sóng 4G LTE.
Thứ ba, độ trễ là yếu tố mới, cùng với khả năng truy cập nhanh hơn trong các thiết kế 5G. Nó quan trọng hơn nhiều trong 5G RFFE so với các phiên bản 3G và 4G trước đó. 5G có độ trễ tối thiểu là 1 ms trở xuống. Mặt khác, trong hệ thống 4G, độ trễ là 50 ms đến 98 ms, trong hệ thống 3G là 212 ms và trong hệ thống 2G là 629 ms. Các dịch vụ 5G mới hiện đang sử dụng tính năng giao tiếp độ trễ thấp siêu đáng tin cậy để quản lý các vấn đề liên quan đến độ trễ.
Các giải pháp RFFE được tích hợp cao, như Hệ thống Modem-RF Qualcomm X55 5G, hỗ trợ bất kỳ sự kết hợp nào giữa các dải tần số và chế độ cho phép các kỹ sư tập trung vào thiết kế công nghiệp và giao diện người dùng, do đó cung cấp các sản phẩm tốt hơn trong thời gian ngắn hơn và với chi phí thấp hơn. (Nguồn: Qualcomm)
Bản tóm tắt các vấn đề RFFE trong thiết kế 5G cho thấy tính chất đột phá của công nghệ RF. Đặc biệt, khi việc lấy mẫu RF ngày càng đến gần ăng-ten, điều này sẽ đơn giản hóa và thu nhỏ các hệ số dạng vô tuyến và cho phép mức tích hợp cao hơn. Vì vậy lúc này công nghệ Ngã tư đường, ngành công nghiệp đang làm gì để tạo điều kiện thuận lợi cho mức độ tích hợp cao hơn trong khi vẫn kiểm soát được độ phức tạp của thiết kế? Phần sau đây sẽ xem xét kỹ hơn một sáng kiến của ngành RF.
Tổ hợp OpenRF
Hiệp hội RF mở (OpenRF) được thành lập gần đây nhằm mục đích tạo ra khả năng tương tác chức năng của phần cứng và phần mềm trên giao diện người dùng RF đa chế độ trong các thiết kế 5G. Khuôn khổ mở này sẽ chuẩn hóa các giao diện phần cứng và phần mềm trong khi vẫn cho phép đổi mới thiết kế giữa các nhà cung cấp giải pháp RF. Các thành viên sáng lập của tập đoàn bao gồm Broadcom, Intel, MediaTek, Murata, Qorvo và Samsung.
Theo Joe Madden, nhà phân tích chính của Mobile Experts, ngành công nghiệp di động ngày càng cần cấu trúc để đối phó với sự phức tạp, hiện là dấu hiệu nổi bật của các thiết kế RF front-end. “OpenRF sẽ tiêu chuẩn hóa các khối xây dựng trong các lĩnh vực không cạnh tranh và do đó cho phép các nhà cung cấp RFFE tập trung nỗ lực của họ vào điểm sáng của sự đổi mới,” ông nói.
Cần lưu ý rằng đặc điểm kỹ thuật MIPI RFFE xác định giao diện điều khiển của giao diện người dùng RF sẽ tiếp tục được phát triển trong Nhóm công tác RFFE của Liên minh MIPI. Hơn nữa, OpenRF hiện đang làm việc trên một thỏa thuận liên lạc với Liên minh MIPI.
Bản phác thảo ở trên về những thách thức, giải pháp thiết kế mặt trước RF và các sáng kiến trong ngành cho các ứng dụng cơ sở hạ tầng và thiết bị cầm tay 5G là minh chứng cho một ổ đĩa siêu tích hợp đưa mô-đun hóa RFFE gần hơn với thực tế. Hơn nữa, trong khi giao diện người dùng RF đóng gói các thành phần thiết yếu trong việc định tuyến, lọc và khuếch đại tín hiệu đến và đi từ ăng-ten, những thiết kế tích hợp cao này sẽ tác động trực tiếp đến mức tiêu thụ điện năng của thiết bị. Điều đó rất quan trọng trong các thiết kế thiết bị 5G cung cấp thời lượng pin cả ngày.
về Thiết bị tương tựQualcomm