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5G升级,这些背后的变化你知道吗?

“从2G 到 3G,3G 到 4G,以及从 4G 到 5G,对普通大众而言,这仅仅是简单的数字增加,实际上这涉及到了调制方式根本性的改变。” 是的,对于Qorvo亚太区市场高级经理…

“从2G 到 3G,3G 到 4G,以及从 4G 到 5G,对普通大众而言,这仅仅是简单的数字增加,实际上这涉及到了调制方式根本性的改变。”

是的,对于Qorvo亚太区市场高级经理 Lawrence Tao(陶镇)这样的从业者而言,4G 升级到 5G 的数字游戏并非表面上的“+1”,而是在其背后诸如 64-QAM到 256-QAM这样更深层次的改变,这是让 5G 发挥威力的关键所在。

从 64-QAM 到 256-QAM 的背后

QAM 是 Quadrature Amplitude Modulation 的缩写,是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式,代表着设备在连接时的数据吞吐。

QAM 发射信号集可以用星座图来进行表示,由于数字通信中数据常采用二进制,因此星座点的个数一般是 2 的幂,常见的QAM形式有 16-QAM、64-QAM、256-QAM 等。2 的幂越大,同一个符号携带的信息就越多,因此传输的信息量就越大。

4-QAM、16-QAM、64-QAM 星座图

大家已经知道 256- QAM 会比 64-QAM 有更高的数据传输量,而 5G 通信要求有 256- QAM,未来甚至是 1024-QAM。这样的要求给射频器件提出了新的难题,再加上频谱增加和频谱兼容,要实现 5G 通信,射频器件的压力可想而知。

陶镇认为,这是从通信基本原理的角度去解释 5G,对功率放大器有很大的影响。他表示:“调制方式越复杂,意味着它对线性化设计的要求越高。从整个系统链路级的角度来看,功率放大器是最后一级,最主要是用来放大信号的。但除此之外,功率放大器还要保证信号不失真,因此线性指标是功率放大器设计的最重要指标之一。”

也就是说,5G 所要求的 256- QAM 能够传输更多的信息,功率放大器既要对这些信号进行放大,同时还要不失真,设计上的困难是显而易见的。“对功率放大器而言,效率和线性度是成反比的。当你效率做的很高时,线性度就会变差;而当你提高了线性度,那么效率可能会下降。但 256- QAM 对于 5G 时代的功率放大器而言是硬性指标,3GPP 的规范和运营商的入网测试同样是硬性指标,为了完成这些指标,某些性能可能会妥协,比如效率上的妥协。” 陶镇讲到。

为了实现更好的线性度而选择在效率上做了妥协,GaN(氮化镓)的利用则是一种弥补方式。

由于 GaN 的禁带宽度(3.4eV)是普通硅(1.1eV)的 3 倍,击穿电场是硅材料的 10 倍,且功率密度更高,因此 GaN 器件将会有更高的工作频率、更大的带宽和更高的效率。

陶镇指出:“传统 LDMOS 工艺的功率放大器,在中低频率的时候还能做到很好的带宽和很好的线性度。但当频率比较高,达到 3.5GHz 以上的时候,LDMOS 工艺的功率放大器并不能实现很好的性能,因此就需要引入 GaN 这样的工艺。”

从这个角度不难理解,从 3.5GHz 到未来的毫米波,GaN 并非是作为 LDMOS 的替代者,而是一个新市场的开拓者,是在做增量市场。

不过,陶镇强调,如果单纯看手机市场的话,目前还是会以 GaAs(砷化镓)的功率放大器为主。

GaAs 具有高频、低杂讯、高效率及低耗电等特性,在 4G 时代迎来应用的大爆发,在 GaN 成本居高不下的时候,GaAs 不失为一种缓冲方案。

天线阵列是另一个维度的游戏

在 5G 普及的过程中,提升网络吞吐量是必须要有的一步,因为 5G 三大应用场景之一的 mMTC 就是广连接,连接数将达到 4G 的 100 倍,这样的需求是现有 4G 蜂窝网络的多天线技术无法满足的。

5G 的一项关键性技术就是大规模天线技术(Large Scale Antenna System,或称为Massive MIMO)。想要了解 Massive MIMO 技术,首先需要搞清楚什么是波束成型。

波束成形是天线技术与数字信号处理技术的结合,目的用于定向信号传输或接收。从基站方面看,这种利用数字信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造。有了波束成型技术,发射能量可以汇集到用户所在位置,而不向其他方向扩散,并且基站可以通过监测用户的信号,对其进行实时跟踪,使最佳发射方向跟随用户的移动,保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。

大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理,在基站端布置几百根天线,对几十个目标接收机调制各自的波束,通过空间信号隔离,在同一频率资源上同时传输几十条信号。

陶镇表示:“4G 基站需要的天线配置为 2*2,也就是 2 根接收天线和 2 根发射天线,而应用于 5G 的 massive MIMO 基站则需要 32 发射和 32 接收,甚至更多。massive MIMO 基站从基站侧的角度来说,是提升整个网络容量,提升用户的下行、上行速率的最主要的一个改进方式。”

在此,简单提及一下 massive MIMO 带来的积极改变。massive MIMO 提供比 MIMO 更多的空间自由度,带来了空间分辨率提升,通过合成虚拟孔径的方式获得更多的角度分辨率;信道参数将会从原有的具有随机性变为逐渐变为确定性;理论上能够实现了更低的单天线发动功率。

不过,massive MIMO 也给射频器件带来很多难题。首先,采用 3D 阵列部署天线波束对齐问题就是一大挑战;其次,大量使用模拟元器件必然会带来非理想失真;第三,massive MIMO 一直以来都存在的导频污染……

陶镇谈到了 massive MIMO 的复杂性,“massive MIMO 意味着每个天线都有一个链路通道,比如 64T64R 就意味着整个天线阵列需要有 64 个完整的射频前端链路,也就是基站里每个链路都要有放大器、滤波器、变频器、匹配电路,以及接触链的第三方。从这个角度讲,5G 基站使用射频器件要比 4G 基站多很多。”

另外,他讲到:“其实在整个系统架构里面,如果单纯讲毫米波,其实波束成型是有专门的芯片在做。现在传统的做法是,在整个系统里面有专门 MIMO 芯片连接外面的射频器件。Qorvo的做法是将它们集成到一个模块里,以此来提升性能。Qorvo 认为,射频前端模块的持续整合加上自屏蔽模块的应用将是未来射频前端的重要发展趋势。”

集成化是大势所趋

近年来,从分立器件到 FEMiD(集成双工器的射频前端模块,Front-End Module with Integrated Duplexer),再到 PAMiD(集成双工器的攻防模块,Power Amplifier Module with integrated Duplexer ),射频前端集成化的趋势愈加明显。

陶镇表示:“目前Qorvo的产品全部同时集成了自屏蔽和 LNA,并支持 5G 频段。Qorvo 的高度集成模块具有支持针对早期部署重新分配的 5G 新频段所需的全部 RF 前端(RFFE)功能,包括滤波、发射 / 接收开关、功率和低噪声放大功能,且有些情况下还包括天线开关功能。”

针对 5G 频段,陶镇进一步讲到:“Qorvo 的 5G 产品组合能够支持 n77、n78 和 n79 的全部频段,所以在整个系统架构里,Qorvo 提供的是全系列的解决方案。”

对射频器件占比最大的手机和通讯市场,集成化同样是大势所趋。对于智能手机而言,一方面全面屏、多摄像头等发展趋势压榨了射频器件的空间,另一方面频段增加则要求手机内搭载更多的射频器件,因此手机厂商也期望能不断提高前端中的射频器件集成度。

“手机射频前端这一块,我们不仅提供功率放大器、开关这样的主动器件,还有滤波器、双工器、多工器等被动器件,我们主推模块化产品。因为,集成式的模块中,性能上经过我们的匹配优化能够达到最佳性能,尺寸上相较于单独的功率放大器和滤波器面积缩小很多,也大大地降低了手机厂商的研发和调试时间。” 陶镇说到。

结语

正如文首提到的,从 4G 到 5G,并不是简单的+1,而是射频器件在在愈发狭小的空间里堆叠更多器件的“变态挑战”,当然也是巨大的历史机遇。

据法国调研机构 Yole 的预计,受益 5G,射频前端市场有望从 2016 年 101.1 亿美元增长到 2022 年的 227.8 亿美元,6 年复合增速 14.5%。在这高速增长的市场中,凭借 IDM 模式带来的资源整合优势,以及对集成化的积极倡导,Qorvo 正积极参与 5G 升级这场不一样的“数字游戏”。

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作者: wangxin

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