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射频前端价值高涨,高通:它让“骁龙”更强悍
2019/10/9 15:44:43  来源:  

智能手机市场飞速发展,技术不断推陈出新,手机的作用早已不仅通话这么简单。但无论如何进化,通话都是手机基本功能。过去15年,从2G、2.5G到3G,再到现在的4G时代,智能手机能兼容的通信制式越来越多,上网速度也越来越快,为人们的工作娱乐带来极大便利。多模多频设备通信性能日益强大的背后,有一个一直以来被用户忽略的部分——射频前端(RFFE)。

不过,随着智能手机屏幕、电池容量的增大,加上智能手机内部功能组件的增多,PCB区域已成为移动终端内部寸土寸金的竞争地带,他们都在挤压着射频前端的物理空间,加上移动通信技术的发展,对于射频前端的设计复杂程度和技术难度带来了极大的挑战。在这一背景下,美国芯片巨头高通强势推动射频前端领域,它能够扮演怎样的角色,并带来哪些技术创新?今天IT之家小编就和大家一同了解一番。

射频前端是什么?

简单来说射频前端(RFFE)是可以将数字化信息转换成无线电信号,因此能在空中发射和接受的功能。射频前端输出信号的质量对整个智能天线系统的性能有决定性影响。在了解射频前端之前,我们不妨先简单了解一下手机信号接收、处理的过程和原理。

以小编在上面画的这幅图为例,手机天线在接收到无线信号(电磁波信号)后,经过选频网络剔除手机处理范围之外的电磁波信号(例如广播信号、对讲机信号等),留下手机信号,然后传输到天线开关,根据接收到的信号频段,天线开关会“放行”相应频段的信号,这样可以避免不同频段之间信号的干扰。被放行频段的信号继续传输,下一站就是滤波器,滤波器的作用是将手机信号中的一些杂波信号滤除,留下纯净的通话信号。经过滤波后,手机信号会分成两路出来,通常还会再经过一个π型滤波进一步提高信号的纯净度和稳定性。而在电路中经过一系列传输、滤波后,到这里信号会有明显的衰减,于是接下来,还会经过信号放大器,对信号强度进行放大。接下来,信号便会进入射频集成电路,信号在这里会经过混频,解调等,滤除高频载波信号,留下通话声音的模拟信号(IQ信号),可以理解为基带信号。不过因为I/Q信号是模拟信号,而手机CPU能够处理的是数字信号,因此IQ信号在到达CPU前,还要经过A/D模数转换。而CPU对信号进行处理后,再转换为模拟信号,最终由手机听筒输出。

当然,手机信号接收处理的实际过程远比小编介绍得要复杂,这里只是介绍了大致的流程,在这个过程中,天线和射频集成电路之间的部分可以看做射频前端,具体的构成也比较复杂,主要由功率放大器(PAs)、低噪声放大器(LNAs)、开关、双工器、滤波器和其他被动设备组成,包括收信单元和发信单元,其中收信单元的主要作用是接收来自用户发出的上行射频信号,对其进行滤波、放大和下变频处理;发信单元的主要功能是对基带处理单元送来的数字信号进行调制以及数模转换,然后上变频到规定的射频频段并进行功率放大,最后通过天线发射。以高通为例,具体的结构如下图:

通过上面的介绍可以看出,如果没有射频前端,智能手机显然连网络都连不上,而如果射频前端设计合理,对智能手机的性能、功能以及工业设计等方面的创新会有十分重要的作用。

射频前端当下和未来的技术挑战

如今的智能手机,特别是高端旗舰手机,打电话不仅要全网通,还要支持更多的频段,例如全球全网通,除了打电话,还要上网浏览网页、上传下载网速也要快,这些需求的扩大,越来越考验射频前端技术的复杂程度,RFFE在当下和未来也面临着诸多新的技术挑战。

首先就是文章开头提到的,智能手机屏幕平均尺寸在过去几年间明显增大,屏幕增大后电池容量和提及也需要随之增大,加上手机的功能日益全面,组件增多,反映到智能手机内部PCB板上,需要的空间也就越来越大,留给射频前端的物理空间则已经很小了,这种条件下,对射频前端组件的集成度和技术复杂程度要求也就越来越高。当然,射频前端在智能手机中的价值也越来越大。

更重要的是,全网通手机需要支持的频段越来越多、同时多载波聚合组合数也在增加,对于射频前端的技术挑战性更大。正如高通产品市场资深经理王健博士不久前在RF技术沟通会上的表述:“2G年代GSM是4个频段,3G年代TD-SCDMA 2个频段,CDMA在中国一个频段……到4G的早期,频段就增加到16个,现在要做全球全网通,频段肯定要到49个。3GPP新增加出来的是600MHz频段,这个频段的编号已经到71了,虽然当中有一些频段编号是空着的,但实际现在的频段数也已经超过了50……等到5G上来之后频段会更加多,会增加毫米波的频段……”

再看载波聚合,发展也非常快速,2015年刚推出的时候,载波聚合的频段组合大约有200个,最开始是2个频段载波聚合,现在已经发展到3个频段、4个频段,马上可能还有5个频段,到2017年底,可能会提出1000个频段组合的需求。

为了追求更畅快的网络通话体验,像三星S8等部分旗舰手机还加入了4x4MIMO技术,用户终端有4根天线接收数据,配合最多支持4个20MHz的下行载波聚合以及256QAM高阶调制,让下载速率可达1Gbps。IHS在一份报告中指出,这“增加了本已复杂的RFFE复杂程度,其中最大的影响之一是对接收链路RF元器件,特别是与其他元器件(如LNA)一起集成在模组里的滤波和切换开关部分。”

随着下行的数据传输速率超过1Gbps,千兆级LTE网络对射频前端的接收端会构成更大的挑战,而根据IHS的预估,到2019年底5G设备有望投入商用,对射频前端的压力将会进一步加大。

“组件供应商将不得不增加对新制式的支持,以及从400MHz到6GHz的更广泛的频带(与移动宽带有关),以及一套额外的编码……RFFE需要提供向后兼容,以支持4G/3G/2G的操作模式。”

综上而言,这些当下以及未来的技术难点对射频前端组件供应商的挑战越来越大,这需要厂商给出一个完整的、高集成化的解决方案,能够为OEM厂商提供不同程度的性能和灵活性,最终满足消费者的需求。

高通的差异化优势和技术创新

高通不久前发布的中高端骁龙660/630移动平台中,集成了全套自己的射频前端器件让人印象深刻,这能够方便手机厂商使用一套设计针对不同地区、不同的市场的用户做出不同的产品。高通在射频前端领域的努力已不是一天两天,例如与TDK合资成立RF360 Holdings,提升在射频前端模块和射频滤波器方面的实力。那么高通目前在射频前端领域究竟有何优势,又拥有哪些技术创新呢?

根据高通产品市场资深经理王健博士的介绍总结,高通的优势在完整的射频前端核心技术组合、先进的模块集成功能、智能的调制解调器创新,以及从Modem到天线的完整解决方案。

首先高通拥有完整的射频前端核心技术。射频前端中,功率放大器(PA)、滤波器、双工器、四工器甚至六工器等组件技术必不可少,而根据王健博士的介绍,高通目前拥有包括表面声波(SAW)、温度补偿表面声波(TC-SAW)和体声波(BAW)在内的一系列全面的滤波器和滤波技术,另外也拥有像做开关产品或天线调谐的SOI技术,还有低噪声放大器(LNA)技术。总的来说,高通能够提供射频前端所需的完整技术。

其次,高通拥有先进的模块集成能力,可以提供高度集成化的解决方案。射频前端不像主芯片,很多不同器件采用不同工艺,它的集成不是做SoC,而是做SIP(System In Package,系统级封装)。在和TDK合作后,高通强化了这方面的实力。

再者,高通拥有自己的调制解调器,这是相比第三方射频元器件厂商的核心差异化优势。而且在调制解调器上多年的优势积累,还让高通可以提供从天线到射频前端再到modem的系统化解决方案。而很多第三方仅仅拥有一个简单的射频元器件,只能独立地工作,实现一些硬件上的功能。

除了这些优势,高通在射频前端方面还拥有一些自主的技术创新,这些技术在前文说的骁龙660和骁龙630中也有用到,包括TruSignal天线增强技术和包括追踪技术。

TruSignal天线增强技术包含三个子技术,首先是主分集天线切换,可以解决手机死亡之握的问题。通常手机主天线在机身下方,手机握住的时候信号会掉的比较快,而这个技术就是当手机下方被握住时,能够自动将天线切换到上方的分集天线中去。

第二个是天线调谐,解决天线和PA之间的适配问题,包括孔径调谐和阻抗调谐两类,可以通过调制解调器监控LTE载波信号的质量,然后利用对应的QAT35XX器件调谐天线性能,从而能够让天线在不同的场景下都能拥有良好的性能。

第三个则是高阶分集接收。通过增加分集来提升接收性能,以及接收的下行速率。

而包络追踪技术(ET),这是高通在三四年前便已经推出的技术,其实是给PA供电的一个电源,平均功率追踪(APT)是在一段时间内提供一个固定的电压,而包络追踪是可以给PA供电的电压是跟着射频信号的包络来调整,以达到最大的省电效果。根据高通方面的实测,ET跟APT相比,能效提升可达到30%。

总结

数据显示,2016年射频前端市场规模已经达到101亿美元,预计到2022年将达到227亿美元,这样的市场蛋糕对于高通而言显然十分诱人。虽然射频前端市场Broadcom、Skyworks、Qorvo和Murata早已确立了领先地位,但高通凭借在智能手机CPU市场份额上积累的强大优势,以及在射频前端整体解决方案和技术创新上的实力,还是不禁让人对其充满期待。


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