射频前端与基带芯片系统级整合 高通持续赋能全球5G发展

5G难,难在系统级工程能力的构建。

在每个技术驱动的次时代,都要经历产业从出生萌芽到艰难成熟的蜕变。按照3GPP的定义,5G是迄今为止最大的一次通信技术升级,甚至超越了通信行业本身范畴,与想象力匹配的是5G商用难度升级。

5G产业需从底层地基开始构建,毫不夸张地说,芯片级能力决定了5G产业的成熟时间表。基带芯片是手机通信部分的核心部件,2019年,几家终端厂商顺次推出5G终端新品,很大程度上都与5G基带芯片的成熟节奏相关。

按照4G时代及以前的产业发展情况,基带芯片部分的调制解调器,以及与基带芯片必不可少的射频收发器和射频前端大多是由产业链不同厂商协作而成,5G时代能否有集成化的一体解决方案推出,从而让终端厂商更快推出商用5G产品,成为5G产业的一个关注焦点。

射频前端之变

如果说基带芯片的成熟节奏决定了终端厂商的进度,那么,基带芯片最难的部分则来自于射频前端。射频前端是无线连接的核心,在天线和射频收发模块间,实现信号发送和接收。

射频前端芯片实现信号在不同频率下的收发,包括射频功率放大器(PA)、射频低噪声放大器(LNA)、射频开关、滤波器、双工器等。

典型射频前端结构

基站和终端都需要射频组件,手机终端射频更注重耗电量低、尺寸小、功率低,雷锋网了解到,目前手机射频芯片多与基带芯片集成在主芯片内,天线则设计为单独的模块,射频前端因材料的不同难与芯片直接集成,并且由于射频前端器件种类较多,因此会分化成多个不同功能的射频前端模块。

射频前端面临的第一个问题是不同组网模式所带来的复杂工作,5G分为独立组网模式(SA)和非独立组网模式(NSA),非独立组网模式是现今大多数运营商选择的过渡型组网模式。

在独立组网模式下,核心网、接入网、数据链网都是基于5G-NR而准备的,性能和兼容性较好,但是前期成本投入很高。非独立组网模式下,原本的LTE作为核心网,语音通信、控制层基于LTE,数据基于5G NR,对射频前端最直接的影响就是,首先要有支持LTE的通道,然后,在所有5G商用频段支持同时上下行工作,还要规避互干扰问题。

5G独有的Sub-6GHZ与mmwave毫米波也给射频前端带来新的要求。根据相关数据,5G 终端将支持 30 个频段并标配 4X4 MIMO 天线,5G 相比 4G 将在更高频的频段 C-Band 和毫米波上部署,而更高频率的信号就意味着更大的馈线损耗。

将天线与射频前端集成从而实现天线有源化就成为大势所趋,这一集成趋势在宏基站侧就体现为基于 Massive MIMO 的 AAU,在室分基站侧就体现为由 DAS 向数字化室分的演进,在手机侧就体现为 AiP(Antenna in Package)天线的诞生。

终端小型化、射频前端模组化、缩短研发周期成为产业链共同诉求。

跨平台5G集成射频方案

不同分析机构均给出了同一个预测——为了节省成本、空间和功耗,5G SoC 和 5G 射频芯片的集成将会是趋势。高通是从基带技术切入射频前端领域的典型代表厂商。

近日,高通正式对外宣布提供全球首款集成调制解调器、射频收发器和射频前端的商用芯片组解决方案,以支持OEM厂商快速开发先进的5G终端。高通将这一差异化的解决方案统一命名为:骁龙5G调制解调器及射频系统。

射频前端模组化提升了终端厂商的研发效率,缩短了产品开发周期,使得后者能更快地推出新产品。这一命名标志着5G终端设计模式向系统级解决方案的明确转变,系统级解决方案对于提供高性能5G和实现规模化赋能至关重要。

不同于以往调制解调器和射频单独开发再集成,高通推出的骁龙5G调制解调器及射频系统,直接完成了调制解调器、射频收发器和射频前端的预先集成,并统一交付给下游终端客户。集成方案对终端厂商更友好,因为终端厂商不必自己再去做软硬件优化,而是获得一个开箱即用半成品,在此之上再做二次开发,减少了中间的繁琐步骤。

对高通来说,在交付之前已经在系统的所有子组件层面协同设计硬件和软件并进行优化,包括移动5G毫米波、5G增程毫米波CPE、可支持最优上行链路吞吐量同时满足传输上限的Smart Transmi技术、可实现出色接收能效的5G PowerSave、可实现出色传输能效与网络性能的Qualcomm宽带包络追踪、具有更广覆盖范围与更长电池续航的高效的高功率用户设备(HPUE)解决方案、5G多SIM卡、可调谐的多天线管理系统,以及支持更高吞吐量、更高通话可靠性、更广网络覆盖范围的Signal Boost动态天线调谐。

目前已有超过150款采用骁龙5G调制解调器及射频系统的5G终端产品已经发布或正在开发中。骁龙5G调制解调器及射频系统为支持多个国家和地区推出5G智能手机作出了独一无二的贡献,包括澳大利亚、中国、欧洲、中东、韩国和美国。搭载这一系统的商用终端预计将于2019年年底上市,包括5G智能手机、笔记本电脑、固定无线接入CPE、移动热点、路由器和汽车。

除了降低终端厂商的开发难度,高通还在努力降低5G的准入门槛,体现在5G移动平台向中高端推进,7系、6系平台也将支持5G。

此前高通和 TDK 合资成立了 RF 360,使得高通拥有了提供从基带 Modem SoC,RFIC 到射频前端完整解决方案的能力。在本届IFA展期间,高通进一步宣布跨骁龙8系、7系和6系扩展其5G移动平台产品组合,此次的重点在于跨不同平台5G支持,这也意味着5G不再只是旗舰机专属,普及化的5G终端有了明确时间表。

高通骁龙8系平台主要用于旗舰机型,首批5G商用终端几乎全部采用了骁龙8系5G移动平台,5G的进一步普及则需要成本更低的解决方案,兼顾成本和效率,高通7系和6系平台也将使用最新的骁龙5G调制解调器及射频系统。

骁龙7系5G移动平台将是集成5G功能的系统级芯片(SoC),并支持所有主要地区和频段,该平台是今年2月首个宣布的5G集成式移动平台,5G调制解调器及射频系统已集成其中。目前已有12家OEM厂商与品牌,包括OPPO、realme、Redmi、vivo、摩托罗拉、HMD Global以及LG电子,计划在其未来5G移动终端上采用全新骁龙7系5G集成式移动平台。高通进一步消息显示,搭载骁龙6系5G移动平台的终端预计于2020年下半年商用。 

高通高级副总裁兼4G/5G业务总经理马德嘉表示,高通在几年前就认识到,赋能5G需要不断演进的产品设计策略,依照专注于元件的设计思路所开发的产品不足以满足用户和运营商对终端和网络性能的期待。高通采用了一种系统级方式,并在早期就进行投入开发了移动行业首款从调制解调器、射频前端到天线的完整解决方案。

5G商用的序曲已经奏响。高通完成的不仅是调制解调器到射频系统级解决方案,还兼顾了骁龙6系到8系的多平台普及,5G产业规模化成熟从芯片级开始。雷锋网雷锋网

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