“從 2G 到 3G，3G 到 4G，以及從 4G 到 5G，對普通大眾而言，這僅僅是簡單的數字增加，實際上這涉及到了調制方式根本性的改變。”

是的，對于 Qorvo 亞太區市場高級經理 Lawrence Tao（陶鎮）這樣的從業者而言，4G 升級到 5G 的數字游戲并非表面上的“+1”，而是在其背后諸如 64-QAM 到 256-QAM 這樣更深層次的改變，這是讓 5G 發揮威力的關鍵所在。

從 64-QAM 到 256-QAM 的背后

QAM 是 Quadrature Amplitude Modulation 的縮寫，是一種在兩個正交載波上進行幅度調制的調制方式，代表著設備在連接時的數據吞吐。

QAM 發射信號集可以用星座圖來進行表示，由于數字通信中數據常采用二進制，因此星座點的個數一般是 2 的冪，常見的 QAM 形式有 16-QAM、64-QAM、256-QAM 等。2 的冪越大，同一個符號攜帶的信息就越多，因此傳輸的信息量就越大。

4-QAM、16-QAM、64-QAM 星座圖

大家已經知道 256- QAM 會比 64-QAM 有更高的數據傳輸量，而 5G 通信要求有 256- QAM，未來甚至是 1024-QAM。這樣的要求給射頻器件提出了新的難題，再加上頻譜增加和頻譜兼容，要實現 5G 通信，射頻器件的壓力可想而知。

陶鎮認為，這是從通信基本原理的角度去解釋 5G，對功率放大器有很大的影響。他表示：“調制方式越復雜，意味著它對線性化設計的要求越高。從整個系統鏈路級的角度來看，功率放大器是最后一級，最主要是用來放大信號的。但除此之外，功率放大器還要保證信號不失真，因此線性指標是功率放大器設計的最重要指標之一。”

也就是說，5G 所要求的 256- QAM 能夠傳輸更多的信息，功率放大器既要對這些信號進行放大，同時還要不失真，設計上的困難是顯而易見的。“對功率放大器而言，效率和線性度是成反比的。當你效率做的很高時，線性度就會變差；而當你提高了線性度，那么效率可能會下降。但 256- QAM 對于 5G 時代的功率放大器而言是硬性指標，3GPP 的規范和運營商的入網測試同樣是硬性指標，為了完成這些指標，某些性能可能會妥協，比如效率上的妥協。” 陶鎮講到。

為了實現更好的線性度而選擇在效率上做了妥協，GaN（氮化鎵）的利用則是一種彌補方式。

由于 GaN 的禁帶寬度（3.4eV）是普通硅（1.1eV）的 3 倍，擊穿電場是硅材料的 10 倍，且功率密度更高，因此 GaN 器件將會有更高的工作頻率、更大的帶寬和更高的效率。

陶鎮指出：“傳統 LDMOS 工藝的功率放大器，在中低頻率的時候還能做到很好的帶寬和很好的線性度。但當頻率比較高，達到 3.5GHz 以上的時候，LDMOS 工藝的功率放大器并不能實現很好的性能，因此就需要引入 GaN 這樣的工藝。”

從這個角度不難理解，從 3.5GHz 到未來的毫米波，GaN 并非是作為 LDMOS 的替代者，而是一個新市場的開拓者，是在做增量市場。

不過，陶鎮強調，如果單純看手機市場的話，目前還是會以 GaAs（砷化鎵）的功率放大器為主。

GaAs 具有高頻、低雜訊、高效率及低耗電等特性，在 4G 時代迎來應用的大爆發，在 GaN 成本居高不下的時候，GaAs 不失為一種緩沖方案。

天線陣列是另一個維度的游戲

在 5G 普及的過程中，提升網絡吞吐量是必須要有的一步，因為 5G 三大應用場景之一的 mMTC 就是廣連接，連接數將達到 4G 的 100 倍，這樣的需求是現有 4G 蜂窩網絡的多天線技術無法滿足的。

5G 的一項關鍵性技術就是大規模天線技術（Large Scale Antenna System，或稱為 Massive MIMO）。想要了解 Massive MIMO 技術，首先需要搞清楚什么是波束成型。

波束成形是天線技術與數字信號處理技術的結合，目的用于定向信號傳輸或接收。從基站方面看，這種利用數字信號處理產生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線方向圖的構造。有了波束成型技術，發射能量可以匯集到用戶所在位置，而不向其他方向擴散，并且基站可以通過監測用戶的信號，對其進行實時跟蹤，使最佳發射方向跟隨用戶的移動，保證在任何時候手機接收點的電磁波信號都處于疊加狀態。

大規模天線陣列正是基于多用戶波束成形的原理，在基站端布置幾百根天線，對幾十個目標接收機調制各自的波束，通過空間信號隔離，在同一頻率資源上同時傳輸幾十條信號。

陶鎮表示：“4G 基站需要的天線配置為 2*2，也就是 2 根接收天線和 2 根發射天線，而應用于 5G 的 massive MIMO 基站則需要 32 發射和 32 接收，甚至更多。massive MIMO 基站從基站側的角度來說，是提升整個網絡容量，提升用戶的下行、上行速率的最主要的一個改進方式。”

在此，簡單提及一下 massive MIMO 帶來的積極改變。massive MIMO 提供比 MIMO 更多的空間自由度，帶來了空間分辨率提升，通過合成虛擬孔徑的方式獲得更多的角度分辨率；信道參數將會從原有的具有隨機性變為逐漸變為確定性；理論上能夠實現了更低的單天線發動功率。

不過，massive MIMO 也給射頻器件帶來很多難題。首先，采用 3D 陣列部署天線波束對齊問題就是一大挑戰；其次，大量使用模擬元器件必然會帶來非理想失真；第三，massive MIMO 一直以來都存在的導頻污染……

陶鎮談到了 massive MIMO 的復雜性，“massive MIMO 意味著每個天線都有一個鏈路通道，比如 64T64R 就意味著整個天線陣列需要有 64 個完整的射頻前端鏈路，也就是基站里每個鏈路都要有放大器、濾波器、變頻器、匹配電路，以及接觸鏈的第三方。從這個角度講，5G 基站使用射頻器件要比 4G 基站多很多。”

另外，他講到：“其實在整個系統架構里面，如果單純講毫米波，其實波束成型是有專門的芯片在做。現在傳統的做法是，在整個系統里面有專門 MIMO 芯片連接外面的射頻器件。Qorvo 的做法是將它們集成到一個模塊里，以此來提升性能。Qorvo 認為，射頻前端模塊的持續整合加上自屏蔽模塊的應用將是未來射頻前端的重要發展趨勢。”

集成化是大勢所趨

近年來，從分立器件到 FEMiD（集成雙工器的射頻前端模塊，Front-End Module with Integrated Duplexer），再到 PAMiD（集成雙工器的攻防模塊，Power Amplifier Module with integrated Duplexer ），射頻前端集成化的趨勢愈加明顯。

陶鎮表示：“目前 Qorvo 的產品全部同時集成了自屏蔽和 LNA，并支持 5G 頻段。Qorvo 的高度集成模塊具有支持針對早期部署重新分配的 5G 新頻段所需的全部 RF 前端（RFFE）功能，包括濾波、發射 / 接收開關、功率和低噪聲放大功能，且有些情況下還包括天線開關功能。”

針對 5G 頻段，陶鎮進一步講到：“Qorvo 的 5G 產品組合能夠支持 n77、n78 和 n79 的全部頻段，所以在整個系統架構里，Qorvo 提供的是全系列的解決方案。”

對射頻器件占比最大的手機和通訊市場，集成化同樣是大勢所趨。對于智能手機而言，一方面全面屏、多攝像頭等發展趨勢壓榨了射頻器件的空間，另一方面頻段增加則要求手機內搭載更多的射頻器件，因此手機廠商也期望能不斷提高前端中的射頻器件集成度。

“手機射頻前端這一塊，我們不僅提供功率放大器、開關這樣的主動器件，還有濾波器、雙工器、多工器等被動器件，我們主推模塊化產品。因為，集成式的模塊中，性能上經過我們的匹配優化能夠達到最佳性能，尺寸上相較于單獨的功率放大器和濾波器面積縮小很多，也大大地降低了手機廠商的研發和調試時間。” 陶鎮說到。

結語

正如文首提到的，從 4G 到 5G，并不是簡單的+1，而是射頻器件在在愈發狹小的空間里堆疊更多器件的“變態挑戰”，當然也是巨大的歷史機遇。

據法國調研機構 Yole 的預計，受益 5G，射頻前端市場有望從 2016 年 101.1 億美元增長到 2022 年的 227.8 億美元，6 年復合增速 14.5%。在這高速增長的市場中，憑借 IDM 模式帶來的資源整合優勢，以及對集成化的積極倡導，Qorvo 正積極參與 5G 升級這場不一樣的“數字游戲”。
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