“5G時代的頻譜,、帶寬、通信制式等與傳統(tǒng)4G有所不同,，這給手機設(shè)計帶來了前所未有的挑戰(zhàn),，尤其是在射頻前端?！?019年是5G部署元年,，全球重要市場的運營商和設(shè)備制造商均已推出覆蓋毫米波及6 GHz以下的5G服務(wù)和終端。昨天,，Qualcomm Technologies產(chǎn)品市場資深經(jīng)理李洋在一次線上技術(shù)分享會上從5G時代下終端設(shè)計面臨的種種挑戰(zhàn),，到射頻前端如何與調(diào)制解調(diào)器作為一個統(tǒng)一系統(tǒng)，再到影響5G設(shè)計復(fù)雜性的主要趨勢進行了深度解讀,，并揭秘了驍龍5G調(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng),。
“5G時代的頻譜、帶寬,、通信制式等與傳統(tǒng)4G有所不同,，這給手機設(shè)計帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，尤其是在射頻前端,?！?李洋的一句話,，點名了5G通信與4G的核心變化與區(qū)別。
回顧4G時代,，大約十年前,，其早期部署階段就沒有5G如此復(fù)雜，制式單一,，帶寬僅10MHz,，也只有少數(shù)運營商參與其中，初期也只有少數(shù)重點城市進行布局,，與之一起配合的OEM廠商也較少,。曾經(jīng)較大的OEM廠商都來自海外,，而如今大部分頂級手機廠商都集中在中國,。
那么，5G初期部署為啥就這么難,？入場門檻到底高在哪里,？
李洋表示，5G初期部署時,，網(wǎng)絡(luò)制式就非常復(fù)雜,，其同時瞄準TDD和FDD網(wǎng)絡(luò)。其次,，還引入了Sub-6GHz頻段,，對基站建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋,、手機設(shè)計實現(xiàn)上都有難度,，新的頻譜以為需要新的一整套生態(tài)支持。
難點不止如此,，再拿毫米波來說,，雖然在中國還沒有正式商用，目前韓國和美國已進入商用階段,。其是一個全新的通信交互方式,，對手機、基站的網(wǎng)絡(luò)要求也不一樣,。
5G初期的大帶寬,，似乎是對通信要求的一步到位。當然,，5G還需要考慮與傳統(tǒng)2/3/4G的兼容性,，其中包括聯(lián)合組網(wǎng)鈣奶按鈕。
與此同時,，5G的部署節(jié)奏已與十年前的4G大不一樣,，對每個國家來說,，都肩負著一個通信革命，成為一個戰(zhàn)略高度,。中國也希望量產(chǎn)全球第一張5G網(wǎng),，幾乎所有的運營商都在積極布局。
除了以上所說的技術(shù)難點,，5G還承載了對未來信息革命的希望,，如AI、自動駕駛,、VR,、遠程醫(yī)療等，都依托于5G來實現(xiàn),?！八哉f，不管是前期部署,，還是后面的工業(yè)布局,，以及產(chǎn)業(yè)意圖，5G時代的挑戰(zhàn)是前所未有的,?！崩钛笕绱苏f道。
下面這張圖顯示,，5G為系統(tǒng)設(shè)計需求帶來的影響,，僅僅是6GHz以下的5G NR需求。
簡單的從天線,、能效和架構(gòu)三方面來說,，1，天線部分,，曾經(jīng)LTE網(wǎng)絡(luò)是下行兩路,、上行一路。5G NR引入Sub-6GHz,，導(dǎo)致上行兩路,，下行四路，天線基本翻倍,?！罢麢C角度來說，5G比4G天線數(shù)量翻了1.5倍,?！崩钛蟊硎荆骸疤炀€需要覆蓋大的帶寬，而天線效率和帶寬無法兼得,，要兼顧兩者平衡是個難點,?！贝送猓cWi-Fi,、GPS天線共享以及天線調(diào)諧優(yōu)化也是天線設(shè)計難點,。
2，能效部分,，其高發(fā)射功率,、高峰值對均值功率比、寬帶功率追蹤都在增加功耗和發(fā)熱功率,。3,，架構(gòu)方面，要實現(xiàn)高性能天線交換,、5G功率追蹤,、高度集成的功率放大器+濾波器模組，會對整個射頻前端架構(gòu)造成影響,，需要更多的PCB面積,，手機廠商們用集成模塊等來解決問題,。
當然,，以上挑戰(zhàn)并不包括毫米波。
“系統(tǒng)級集成對于高效的5G終端至關(guān)重要,?！崩钛笥靡痪湓捒偨Y(jié)了挑戰(zhàn)背后的方法。此前在傳統(tǒng)4G手機年代,，高通主要負責(zé)制解調(diào)器,、射頻收發(fā)器設(shè)計研發(fā)，在射頻前端部分,，高通會和友商都會做一些方案,。如今5G時代，高通將調(diào)制解調(diào)器和射頻系統(tǒng)結(jié)合來做集成式系統(tǒng)方案,。背后的原因和目的,，李洋表示：1，可以達到好的實際吞吐量,；2,，更廣的覆蓋范圍；3,，更緊湊的手機外形尺寸,，設(shè)計更為漂亮；4,，更低的能耗,；5,，更好的散熱性能；6,，更快的5G手機上市,，形成規(guī)模效應(yīng)。
與此同時,，IHS Markit也在2019年8月28日發(fā)布的報告稱,，射頻前端和調(diào)制解調(diào)器一起成為5G智能手機設(shè)計中的雙子星，不再扮演傳統(tǒng)的支持性角色,。
關(guān)于射頻的重要性,，李洋用一張簡易的實際電路框架圖概括。如下圖,，L形PCB版上鑲嵌著一個驍龍855芯片和5G單獨調(diào)制解調(diào)器,，黑色和灰色的方塊都是射頻部分，圖中可以看出,，其占據(jù)了不少面積,，數(shù)量也較多。除此之外,，三條紅色的部分,，也是預(yù)估的毫米天線模組位置，如果放進去,，對手機設(shè)計的挑戰(zhàn)將更大,。
下圖是射頻前端的構(gòu)成模塊簡化視圖，李洋簡單介紹了信號的收發(fā)過程：調(diào)制解調(diào)器對信號進行調(diào)制解調(diào),，把數(shù)字信號變成模擬信號,，傳給射頻收發(fā)器器、隨后將信號推到功率放大器,，將信號放大,，達到能在空中傳輸?shù)哪康摹Ｉ厦媸前j(luò)跟蹤器,，為功率放大器提供電源,，隨后通過濾波器，把信號雜音濾掉,，通過天線開關(guān)的選型,。天線調(diào)諧器是用來調(diào)節(jié)天線性能。
接收部分則通過低噪放大器,，放大到射頻和調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)能夠識別的維度,。下面還有一條通路叫分集通路，這整張圖所表示的就是LTE的一發(fā)射兩接收模型,。
那5G呢,？
“5G可以簡單的理解為將這部分在復(fù)制拷貝一下,，但并不是簡單的翻倍概念，不過至少在復(fù)雜度上呈現(xiàn)翻倍的狀態(tài),?！崩钛笕绱诵稳?G時代射頻前端架構(gòu)的復(fù)雜度：“把Sub-6GHz引入后，其是全新的器件,，還不能復(fù)用LTE時的器件,。”
他還表示,，進入5G,，如果沒有先進的封裝技術(shù)，就基本沒法玩這個游戲了,。
需求不斷演進以實現(xiàn)高性能5G射頻前端,，以下幾點都是新的需求：
1，就是剛剛所談封裝問題,，需要新一代封裝實現(xiàn)更好的散熱性能和高頻寄生,。
2，功率追蹤——更高峰值對均值功率比,、線性和帶寬需求,；
3，功率放大器（PA）——部分帶寬,、基帶帶寬,、高功率傳輸（HPUE）、峰值對均值功率比,、線性、高頻工作,；
4,，體聲波（BAW）濾波器技術(shù)插入損耗和功率處理。低5G頻率分區(qū),；
5,，開關(guān)——改善TDD切換時序vs插入
6，低噪放大器（LNA）——更高運行頻率增益,；新封裝技術(shù),。
那么高通是怎么做的呢？李洋說到：“作為一個系統(tǒng)廠商,，高通驍龍X55 5G調(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng)提供了一整套從調(diào)制解調(diào)器到天線的完整5G解決方案,。”如下圖,。
“系統(tǒng)級解決方案讓不可能變成可能,?！崩钛笱葜v時的其中一張PPT如此寫到，像是在宣揚自己化挑戰(zhàn)為機遇的神奇力量,。
下圖可以看出,，藍色柱體代表手機吞吐率上升趨勢，從2012年到2019年,，手機下行速率峰值大概翻了20倍,，高吞吐率帶來的是高數(shù)據(jù)處理能力，也造成了更高的功耗,。紅色折現(xiàn)代表的是7年來電池容量的變化,，并沒有像吞吐率增加那么迅猛，只增加1.6倍,。并且,，這1.6倍有一部分得益于手機尺寸變大。遠遠不能滿足整機功耗的需求,。
“所以我們不僅要從硬件,，還要從軟件出發(fā)，提供功耗優(yōu)化,，滿足這20倍的增長,。”
關(guān)于高通的系統(tǒng)級方法,，李洋介紹了5大技術(shù)——1,，移動毫米波；2,，Smart Transmit,；3，寬頻帶包絡(luò)追蹤,；4,，Signal Boost；5,，5G PowerSave,。
對此，李洋一一解釋道：1,，Qualcomm Smart Transmit,，能讓多路無線管理系統(tǒng)在滿足射頻發(fā)射功率限制的同時，實現(xiàn)上行鏈路的高度優(yōu)化,。
2,，毫米波在中國沒有商用，其在智能手機大小的終端中部署5G毫米波將帶來鏈路預(yù)算、功耗,、移動性,、嚴苛的尺寸限制、散熱管理和監(jiān)管合規(guī)的巨大挑戰(zhàn),。李洋此處介紹了高通的QTM525毫米波天線模組,，支持小于8mm厚度智能手機設(shè)計。
3,，高通天線調(diào)諧技術(shù)能夠幫助解決多項設(shè)計挑戰(zhàn),，其中有源天線可在200ms內(nèi)智能切換，以優(yōu)化信號并減少延遲,。
4,，Qualcomm 5G PowerSave技術(shù)旨在為5G終端帶來“全天候”電池續(xù)航的全面解決方案。其中基于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的非連續(xù)接收（C-DRX）是該技術(shù)的關(guān)鍵特性之一,，簡言之,，C-DRX可以實現(xiàn)信號動態(tài)檢測，如存在有數(shù)據(jù)就接收,，沒有就低功耗運行,。
5，寬頻帶包絡(luò)追蹤,，用下面一張圖可以解釋,。PA輸出的信號是波動的。右下角中,，給PA供電的電壓是平的,，根據(jù)平均值波動，效率并不是很高,，存在非常多功率損失,，其中圖中藍色都是損失。而右上角,，完全跟蹤包絡(luò),。雖看起來簡單，但高頻都是毫秒級跟蹤,，需要調(diào)制解調(diào)器預(yù)知發(fā)送的包絡(luò)是什么，做到完美的匹配,，稍微錯位,，就導(dǎo)致PA性能很差。
對應(yīng)的高通產(chǎn)品則是QET6100 5G NR包絡(luò)追蹤器,。
從一場高通的線上技術(shù)研討會可以看出,，5G時代所存在的巨大挑戰(zhàn)，也是一些大廠設(shè)立技術(shù)門檻的機遇。
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