早期的 5G 實(shí)施始于 2019 年底，從那時(shí)起，射頻前端 (RFFE) 設(shè)計(jì)在更高的集成度和對(duì)從 5G 到 2G 無(wú)線電的多模操作的支持方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

例如，這些 RFFE 中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在支持毫米波 (mmWave) 頻段中可用的通道帶寬。反過(guò)來(lái)，這將為 RF 架構(gòu)的通用化打開(kāi)大門，并可能通過(guò)將數(shù)模分界線移近天線來(lái)降低 RF 電路的復(fù)雜性。

RFFE 也稱為前端模塊。這些部件使用智能分區(qū)架構(gòu)來(lái)集成高速放大器、接收模數(shù)轉(zhuǎn)換器和傳輸路徑數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及不斷縮小的高頻濾波器設(shè)計(jì)。集成是 5G 無(wú)線電設(shè)計(jì)中的游戲名稱，因?yàn)榉至⒌?RF 解決方案已不再足夠。

以 Qualcomm 的 RFFE 設(shè)計(jì)為例，該設(shè)計(jì)在調(diào)制解調(diào)器和天線之間集成了多個(gè) RF 組件。這些調(diào)制解調(diào)器到天線的解決方案將調(diào)制解調(diào)器、RF 收發(fā)器、RF 前端組件和天線模塊結(jié)合在一起，從而使移動(dòng) OEM 能夠快速將設(shè)備商業(yè)化，并支持新的頻段，例如 41- GHz頻段。

最新的例子之一是高通的第四代 5G 調(diào)制解調(diào)器到天線解決方案 Snapdragon X65 5G 調(diào)制解調(diào)器-RF 系統(tǒng)。驍龍 X65 支持高達(dá) 1 GHz 的毫米波頻譜和 300 MHz 的 sub-6-GHz 頻譜的頻譜聚合。

然后是來(lái)自 Analog Devices Inc. 的用于大規(guī)模 MIMO (M-MIMO) 無(wú)線電的 ADRF554x RF 前端。這些 RFFE 極大地增加了在多個(gè)頻段中同時(shí)運(yùn)行的收發(fā)器通道的數(shù)量，同時(shí)將所有必要的硬件壓縮到更小的外形尺寸中。

ADRF554x 系列射頻前端集成了一個(gè)采用硅工藝的大功率開(kāi)關(guān)和一個(gè)采用 GaAs 工藝的高性能低噪聲放大器。這些射頻前端覆蓋 1.8 GHz 至 5.3 GHz 的蜂窩頻段，針對(duì) M-MIMO 天線接口進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

因此，隨著需要支持的天線和頻段數(shù)量增加，以及實(shí)現(xiàn)足夠覆蓋所需的大量組件，我們看到射頻領(lǐng)域前所未有的復(fù)雜性。因此，在早期，5G 無(wú)線電的日益復(fù)雜性限制了擁有開(kāi)發(fā)此類復(fù)雜射頻子系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)的制造商的數(shù)量。然而，隨著 5G 設(shè)計(jì)的成熟，越來(lái)越多的供應(yīng)商正在加緊應(yīng)對(duì) RFFE 挑戰(zhàn)。

射頻前端設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在微型、微型、微微和毫微微蜂窩環(huán)境中部署大量基站以及物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)新終端設(shè)備的情況下，射頻設(shè)計(jì)代表了 5G 網(wǎng)絡(luò)的巨大機(jī)遇物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。對(duì)于高度多樣化的用例和需求，這可能會(huì)增加連接設(shè)備的巨大增長(zhǎng)。

頻譜效率和重用、更高的速度和更低的延遲是 RFFE 設(shè)計(jì)的主要考慮因素，以滿足無(wú)線數(shù)據(jù)流量容量的巨大提升。首先，頻譜效率至關(guān)重要，因?yàn)楹撩撞l率（高于 6 GHz 的頻譜）因廣泛的帶寬可用性而備受關(guān)注。

然而，毫米波波段的傳輸在室外區(qū)域最具挑戰(zhàn)性，RFFE 設(shè)計(jì)的任務(wù)是改善高路徑損耗、高氧氣和 H 2 O 吸收、通過(guò)樹(shù)葉的損耗以及因雨水而導(dǎo)致的衰落。因此，射頻設(shè)計(jì)人員正在采用波束成形和波束跟蹤技術(shù)來(lái)克服毫米波頻率中不利的信道特性。

其次，速度在 RFFE 設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，因?yàn)?5G 無(wú)線電架構(gòu)運(yùn)行的數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)高于之前的 2G、3G 和 4G 系統(tǒng)。目前的 5G 系統(tǒng)比 4G LTE 無(wú)線電快 10 倍。

第三，延遲是新元素，以及 5G 設(shè)計(jì)中的更快訪問(wèn)。這在 5G RFFE 中比在之前的 3G 和 4G 版本中重要得多。5G 的最小延遲為 1 毫秒或更短。另一方面，在 4G 系統(tǒng)中，延遲為 50 毫秒至 98 毫秒，在 3G 系統(tǒng)中為 212 毫秒，而在 2G 系統(tǒng)中則高達(dá) 629 毫秒。新的 5G 服務(wù)現(xiàn)在采用超可靠的低延遲通信功能來(lái)管理與延遲相關(guān)的問(wèn)題。

高度集成的 RFFE 解決方案，例如 Qualcomm X55 5G 調(diào)制解調(diào)器-RF 系統(tǒng)，支持任意頻段和模式的組合，使工程師能夠?qū)Ｗ⒂诠I(yè)設(shè)計(jì)和用戶界面，從而在更短的時(shí)間內(nèi)以更低的成本提供更好的產(chǎn)品。（來(lái)源：高通）

5G 設(shè)計(jì)中 RFFE 問(wèn)題的概要顯示了 RF 技術(shù)的破壞性。尤其是當(dāng)射頻采樣越來(lái)越靠近天線時(shí)，這反過(guò)來(lái)又會(huì)簡(jiǎn)化和縮小無(wú)線電外形尺寸并實(shí)現(xiàn)更高水平的集成。那么，在這個(gè)技術(shù)的十字路口，行業(yè)正在做些什么來(lái)促進(jìn)更高水平的集成，同時(shí)控制設(shè)計(jì)的復(fù)雜性？以下部分將詳細(xì)介紹 RF 行業(yè)計(jì)劃。

OpenRF 聯(lián)盟

最近成立的開(kāi)放射頻協(xié)會(huì) (OpenRF) 旨在在 5G 設(shè)計(jì)中跨多模射頻前端創(chuàng)建硬件和軟件的功能互操作性。這個(gè)開(kāi)放框架將標(biāo)準(zhǔn)化硬件和軟件接口，同時(shí)仍然允許射頻解決方案供應(yīng)商之間的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。該聯(lián)盟的創(chuàng)始成員包括博通、英特爾、聯(lián)發(fā)科、村田、Qorvo 和三星。

據(jù) Mobile Experts 首席分析師 Joe Madden 稱，移動(dòng)行業(yè)越來(lái)越需要結(jié)構(gòu)來(lái)處理復(fù)雜性，而這現(xiàn)在是射頻前端設(shè)計(jì)的一個(gè)標(biāo)志。“OpenRF 將標(biāo)準(zhǔn)化非競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域的構(gòu)建模塊，從而使 RFFE 供應(yīng)商能夠?qū)⒕性趧?chuàng)新的尖端，”他說(shuō)。

值得注意的是，定義射頻前端控制接口的 MIPI RFFE 規(guī)范將在 MIPI 聯(lián)盟的 RFFE 工作組內(nèi)繼續(xù)開(kāi)發(fā)。此外，OpenRF 目前正在與 MIPI 聯(lián)盟達(dá)成聯(lián)絡(luò)協(xié)議。

上述針對(duì) 5G 手機(jī)和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的 RF 前端設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、解決方案和行業(yè)舉措的概述證明了超集成驅(qū)動(dòng)使 RFFE 模塊化更加接近現(xiàn)實(shí)。此外，雖然 RF 前端封裝了對(duì)進(jìn)出天線的信號(hào)進(jìn)行路由、過(guò)濾和放大必不可少的組件，但這些高度集成的設(shè)計(jì)將直接影響設(shè)備的功耗。這對(duì)于提供全天電池壽命的 5G 設(shè)備設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

審核編輯 黃昊宇