فناوری سیاه فرکانس رادیویی 5G را در یک مقاله درک کنید: پیچیدگی آن وحشتناک است، به اندازه بیس باند.

تلفن‌های همراه، به عنوان یک ویژگی استاندارد در عصر اینترنت همراه، وارد زندگی تک تک ما شده‌اند. با آنها می‌توانیم چت کنیم، خرید کنیم، برنامه‌های تلویزیونی را به دلخواه تماشا کنیم و از یک زندگی فوق‌العاده لذت ببریم.

از آنجا که تلفن‌های همراه بسیار مهم هستند، مردم توجه زیادی به توسعه فناوری‌های مرتبط با آنها دارند. هر زمان که محصول جدیدی عرضه می‌شود، رسانه‌ها گزارش‌های مفصلی منتشر می‌کنند و همچنین بحث‌های داغی در شبکه‌های اجتماعی در می‌گیرد.

با این حال، توجه مردم به تلفن‌های همراه اغلب بر روی CPU، GPU، باند پایه، صفحه نمایش و دوربین متمرکز است. چنین قطعه خاصی وجود دارد که برای تلفن‌های همراه بسیار مهم است، اما افراد کمی به آن توجه می‌کنند.

کدام بخش؟ بله، موضوع اصلی مقاله امروز ما همین است - فرکانس رادیویی.

▉فرکانس رادیویی چیست؟

فرکانس رادیویی، نام انگلیسی آن Radio Frequency است که همان RF آشنا است. به معنای واقعی کلمه، Radio Frequency به معنای فرکانس رادیویی است. سیگنال‌های فرکانس رادیویی به طور خاص به امواج الکترومغناطیسی رادیویی با محدوده فرکانسی 300KHz~300GHz اشاره دارند.

همانطور که همه ما می‌دانیم، دلیل اینکه تلفن‌های همراه می‌توانند با ایستگاه‌های پایه ارتباط برقرار کنند، به ارسال و دریافت امواج الکترومغناطیسی رادیویی به یکدیگر بستگی دارد.

به مجموعه ای از مدارها، تراشه ها، قطعات و غیره در تلفن همراه که به طور خاص وظیفه ارسال و دریافت امواج الکترومغناطیسی رادیویی را بر عهده دارند، در مجموع سیستم فرکانس رادیویی یا به اختصار "فرکانس رادیویی" (همان ذیل) گفته می شود.

فرکانس رادیویی و باند پایه، سنگ بنای عملکردهای ارتباطی تلفن همراه هستند. اگر ارتباط بین تلفن همراه و دنیای خارج را به عنوان یک "سرویس اکسپرس" در نظر بگیریم، مسئولیت باند پایه "بسته‌بندی/باز کردن" داده‌ها است. مسئولیت فرکانس رادیویی، ارسال/دریافت "بسته‌ها" از طریق باند فرکانس رادیویی تعیین شده است.

نمودار شماتیک: باند پایه در سمت چپ و RF در سمت راست

فرکانس رادیویی چه شکلی است؟ تصویر زیر طرح کلی جلو و عقب برد مدار اصلی یک برند خاص از تلفن همراه را نشان می‌دهد.

（图片来自ABI Research）

در تصویر، بخش‌هایی که با دایره زرد مشخص شده‌اند، همگی مربوط به فرکانس رادیویی هستند. می‌توان مشاهده کرد که اجزای فرکانس رادیویی بخش بزرگی از ساختار تلفن‌های همراه را تشکیل می‌دهند.

از نقطه نظر معماری، یک سیستم فرکانس رادیویی کامل شامل سه بخش است: فرستنده و گیرنده فرکانس رادیویی، بخش جلویی فرکانس رادیویی و آنتن. بخش جلویی RF همچنین شامل اجزای متعددی مانند تقویت‌کننده‌های توان، ردیاب‌های پوششی، تقویت‌کننده‌های کم‌نویز، فیلترها، سوئیچ‌های آنتن و تنظیم‌کننده‌های آنتن است.

معماری RF

عملکرد هر یک از اجزای بخش جلویی RF پیچیده نیست. برای مثال، تقویت‌کننده وظیفه تقویت سیگنال را بر عهده دارد تا سیگنال بتواند تا مسافت بیشتری ارسال شود؛ فیلتر وظیفه حذف نویز و خالص‌تر کردن سیگنال را بر عهده دارد؛ سوئیچ آنتن برای کنترل باز و بسته شدن آنتن استفاده می‌شود؛ عملکرد اصلی تیونر آنتن، «بازی کردن» با آنتن برای دستیابی به بهترین اثر فرستنده-گیرنده است...

تعداد زیادی از اجزای فرکانس رادیویی با یکدیگر همکاری می‌کنند و برای تکمیل «مرحله نهایی» و انتقال داده‌های بسته‌بندی‌شده توسط باند پایه «biu~biu~biu~» با یکدیگر همکاری می‌کنند.

اگر طراحی فرکانس رادیویی غیرمنطقی باشد و عملکرد اجزا دچار مشکل شود، مستقیماً بر قابلیت‌های ارسال و دریافت سیگنال بی‌سیم تلفن همراه تأثیر می‌گذارد و در نتیجه بر قابلیت‌های ارتباطی تلفن همراه تأثیر می‌گذارد. نشانه‌های خاص آن عبارتند از سیگنال بی‌سیم ضعیف، فاصله کوتاه ارتباطی، سرعت پایین شبکه و غیره.

به عبارت دیگر، اگر قابلیت فرکانس رادیویی یک تلفن همراه خوب نباشد، مانند ماشینی است که قدرت کافی ندارد. هر چقدر هم که سایر عملکردها شیک باشند، توسط کاربران پذیرفته نخواهند شد.

بنابراین، وقتی تولیدکنندگان تلفن همراه، تلفن‌های همراه را توسعه و طراحی می‌کنند، معمولاً قبل از اینکه جرات کنند محصول نهایی را عرضه کنند، تلاش زیادی را صرف فرکانس رادیویی می‌کنند، بارها و بارها بررسی و آزمایش انجام می‌دهند.

▉چالش‌های فرکانس رادیویی 5G

امروزه، ما با سربلندی وارد دوران 5G می‌شویم. در مقایسه با 4G سنتی، آیا تغییراتی در سیستم فرکانس رادیویی 5G وجود دارد؟

پاسخ مثبت است. نه تنها تغییری وجود دارد، بلکه یک تغییر اساسی است.

در مقایسه با 4G، 5G شاخص‌های عملکرد خود را به میزان قابل توجهی بهبود بخشیده است. سناریوی eMBB (پهنای باند موبایل بهبود یافته) 5G سرعت تلفن همراه را به سطح گیگابیت یا حتی 10 گیگابیت افزایش می‌دهد که به ترتیب 10 برابر/100 برابر نرخ LTE اولیه (100 مگابیت در ثانیه) است.

2G/3G/4G، به علاوه 5G، به علاوه MIMO (فناوری چند آنتنه)، به علاوه دو سیم‌کارت آماده به کار دوگانه، دو برابر تعداد آنتن‌ها و باندهای فرکانسی پشتیبانی شده تلفن‌های همراه را فراهم می‌کند. در روزهای اولیه 4G، کمتر از 20 ترکیب باند فرکانسی وجود داشت. در مقابل،5G بیش از 10،000 ترکیب باند فرکانسی دارد، پیچیدگی وحشتناک است.

در عین حال، برای اطمینان از اینکه کاربران مایل به ارتقاء (tāo) (qián) هستند، ضخامت و وزن تلفن‌های همراه 5G را نمی‌توان افزایش داد، مصرف برق را نمی‌توان زیاد کرد و زمان آماده به کار را نمی‌توان کاهش داد.

اگر شما تولیدکننده تلفن همراه بودید، دیوانه می‌شدید؟

بنابراین، فرکانس رادیویی تلفن‌های همراه 5G باید خود را از نو بسازد و با شور و نشاط معجزه و نوآوری ایجاد کند.

چگونه مشکلات طراحی سیستم فرکانس رادیویی را حل کنیم؟ کوالکام یک ایده کلان ارائه داد و مستقیماً "سیستم کامل مودم و فرکانس رادیویی" را ارائه داد. درک عمومی به این معنی است که باند پایه، فرستنده-گیرنده RF، رابط RF، ماژول آنتن، چارچوب نرم‌افزاری و غیره همگی تکمیل شده‌اند و یک راه‌حل کامل در اختیار سازنده قرار گرفته است.

به عبارت دیگر، مفهوم طراحی اجزای ترمینال مانند تلفن‌های همراه 5G باید ایده قبلی «خرید اسب در بازار شرق، زین در بازار غرب، افسار در بازار جنوب و شلاق در بازار شمال» و تمرکز بر اجزای منفرد را کنار بگذارد و در عوض، یک راه‌حل یکپارچه در سطح سیستم از «طراحی بسته» را اتخاذ کند.

برای مثال، در گذشته، کارخانه A باند پایه، کارخانه B RF، کارخانه C آنتن را می‌ساخت و سپس کارخانه D تلفن همراه نحوه ادغام و اتصال آنها را کشف می‌کرد. امروزه، تولیدکنندگان قدرتمند مستقیماً باند پایه، فرکانس رادیویی و آنتن و غیره را بسته‌بندی و طراحی می‌کنند و سپس آنها را به تولیدکنندگان تلفن همراه تحویل می‌دهند تا به سرعت مورد استفاده قرار گیرند.

ادغام در سطح سیستم، نتیجه اجتناب‌ناپذیر افزایش قابل توجه پیچیدگی باند پایه و فرکانس رادیویی 5G است.

مثل قطار است. در گذشته، سرعت واگن‌های چرمی سبز کم بود و می‌توانستند کالسکه و جلوی واگن را جداگانه طراحی و تولید کنند و سپس با هم حرکت کنند. با این حال، در عصر راه‌آهن پرسرعت، نشانگرهای سرعت دو برابر شده‌اند. اگر همچنان جداگانه طراحی و تولید شوند، واگن‌ها و لوکوموتیو نمی‌توانند عمیقاً هماهنگ شوند. نه تنها دستیابی به نشانگرهای سرعت دشوار خواهد بود، بلکه ممکن است مشکلات ایمنی نیز ایجاد شود.

بنابراین، EMU های راه آهن پرسرعت معمولاً به صورت یکپارچه طراحی و ساخته می شوند.

به عبارت دیگر، در مواجهه با شاخص‌های سخت 5G که در بالا ذکر شد، لازم است طراحی کلی باند پایه و فرکانس رادیویی از منظر ادغام در سطح سیستم انجام شود. به این ترتیب، این دو می‌توانند به هم‌افزایی کامل نرم‌افزاری و سخت‌افزاری دست یابند و به عملکرد بهینه (نرخ توان عملیاتی، پوشش و غیره) دست یابند.

علاوه بر دستیابی به شاخص‌ها، طراحی یکپارچه به کاهش اندازه نهایی سیستم نیز کمک می‌کند و فضای اشغال شده توسط تلفن همراه را کاهش می‌دهد. برای کنترل مصرف برق سیستم و اتلاف گرما، طراحی یکپارچه نیز مزایای آشکاری دارد.

در نهایت، ارائه راهکارهای یکپارچه‌سازی در سطح سیستم می‌تواند دشواری طراحی تولیدکنندگان تلفن همراه را کاهش دهد و به آنها اجازه دهد محصولات را سریع‌تر عرضه کرده و بازار را به دست گیرند.

▉فناوری سیاه فرکانس رادیویی 5G

بیایید نگاهی دقیق‌تر به فناوری‌های سیاه جالب رادیوی یکپارچه 5G در سطح سیستم بیندازیم.

اول از همه، اولین فناوری سیاه، ردیابی پوشش پهنای باند است.

وقتی قبلاً معماری فرکانس رادیویی را معرفی کردم، یک ردیاب توان در آن وجود داشت. ردیاب‌های توان با تقویت‌کننده‌های توان استفاده می‌شوند.

تقویت‌کننده توان، جزء اصلی فرکانس رادیویی است. مانند یک بلندگو، صداهای کوچک (سیگنال‌ها) را به صداهای بلند (سیگنال‌ها) تبدیل می‌کند.

اگر می خواهید در بوق بزنید، قطعاً به کار سخت (منبع تغذیه) نیاز دارید. وظیفه ردیاب قدرت، کنترل شدت (قدرت) بوق زدن است.

روش دمش سنتی، روش APT است که ردیابی توان متوسط ​​را دنبال می‌کند. در یک بازه زمانی مشخص، نیروی دمش ثابت می‌ماند.

و فناوری ردیابی پوشش پهنای باند (ET) امکان کنترل دقیق توان را فراهم می‌کند. به عبارت دیگر، باند پایه (مودم) می‌تواند ردیاب پوشش را در فرکانس رادیویی مطابق با تغییرات سیگنال کنترل کند و از این طریق توان انتقال سیگنال بی‌سیم را به طور دقیق کنترل کند.

مصرف توان تلف‌شده در ردیابی پوششی به‌طور قابل‌توجهی کمتر از میانگین توان مصرفی ردیابی سنتی است.

(تصویر از کوالکام)

به این ترتیب، در نیروی بدنی (انرژی) تا حد زیادی صرفه جویی می شود، مصرف برق فرکانس رادیویی کاهش می یابد و زمان آماده به کار تلفن همراه افزایش می یابد.

کنترل دقیق توان انتقال به تلفن‌های همراه کمک می‌کند تا بهترین راندمان انتقال سیگنال را به دست آورند و در نتیجه کیفیت کانال بهتری را به دست آورند. در طول فرآیند "ارتباط دو طرفه" بین تلفن همراه و ایستگاه پایه، هنگامی که تلفن همراه کیفیت کانال بهتری را به دست می‌آورد، ایستگاه پایه می‌تواند از تلفن همراه برای دستیابی به خدمات بهتر آپ‌لینک و داون‌لینک، مانند پشتیبانی از 2×2 MIMO، پشتیبانی کند و سرعت شبکه روان‌تر شود. علاوه بر این، کیفیت کانال بهتر همچنین شرایطی را برای سمت ایستگاه پایه ایجاد می‌کند تا روش‌های مدولاسیون مرتبه بالاتر (مانند 256QAM) را به تلفن‌های همراه اختصاص دهد، که می‌تواند توان عملیاتی تلفن همراه را بهبود بخشد و از خدمات انتقال داده سریع‌تر و بهتر پشتیبانی کند.

چندین نسل از مودم‌های اسنپدراگون 5G و ردیاب‌های پوشش پهنای باند یکپارچه با سیستم RF که قبلاً توسط کوالکام منتشر شده بودند، از فناوری فوق استفاده کرده‌اند. جدیدترین ردیاب پوشش پهنای باند آن، QET7100، در مقایسه با پیشرفته‌ترین محصولات فعلی ارائه شده توسط سایر تولیدکنندگان موجود در بازار، 30 درصد بهبود در بهره‌وری انرژی دارد.

دومین فناوری سیاه که معرفی کردیم، فناوری بهبود سیگنال با کمک هوش مصنوعی است.

این فناوری جدیدترین فناوری جدید منتشر شده در مودم Snapdragon X65 5G و سیستم فرکانس رادیویی است که به تازگی در ماه فوریه عرضه شده است. همچنین این اولین بار در صنعت است که فناوری هوش مصنوعی پیشرفته برای بهبود سیگنال به سیستم فرکانس رادیویی تلفن همراه معرفی شده است.

هسته اصلی فناوری بهبود سیگنال با کمک هوش مصنوعی، معرفی فناوری هوش مصنوعی در سیستم تنظیم آنتن است. دو روش برای تنظیم آنتن وجود دارد، یکی تطبیق امپدانس و دیگری تنظیم دیافراگم.

بیایید ابتدا تطبیق امپدانس را بررسی کنیم.

به اصطلاح تطبیق امپدانس را می‌توان به عنوان نوعی کار "لوله آب" درک کرد.

اتصال بین اجزای سیستم RF و آنتن مانند اتصال بین دو لوله آب است. وقتی امپدانس‌ها ثابت باشند، موقعیت‌ها کاملاً مطابق هستند. در این زمان، جریان آب بیشترین مقدار و راندمان سیگنال بالاترین است. اگر امپدانس قطعه تغییر کند، لوله آب کج می‌شود، جریان آب کم می‌شود و بخشی از جریان آب هدر می‌رود.

دلایل زیادی برای تغییرات امپدانس وجود دارد، مانند لمس دست، اتصال خطوط داده، نصب قاب‌های تلفن همراه و غیره. حتی حالت‌های مختلف نگه داشتن (دست چپ، دست راست، یک دست، دو دست) امپدانس‌های متفاوتی را به همراه خواهد داشت.

روش سنتی تطبیق امپدانس، آزمایش علل مختلف تغییرات امپدانس در آزمایشگاه برای یافتن مقادیر مشخصه آنتن و سپس کنترل اجزای فرکانس رادیویی از طریق مودم برای تنظیم امپدانس است تا لوله دریافت کننده آب تا حد امکان با لوله آبرسانی همسو شود.

فناوری بهبود سیگنال با کمک هوش مصنوعی، الگوریتم‌های هوش مصنوعی را برای انجام تجزیه و تحلیل کلان‌داده و یادگیری ماشینی بر روی مقادیر مشخصه آنتن ناشی از تغییرات مختلف امپدانس معرفی می‌کند تا به تنظیم هوشمند امپدانس و دستیابی به کامل‌ترین اثر تطبیق دست یابد.

به طور خلاصه، این کار کمی شبیه نصب یک شلنگ ته قنداقی بین لوله آبرسانی و لوله دریافت آب است تا از هدر رفتن جریان آب تا حد امکان جلوگیری شود.

تقویت سیگنال با کمک هوش مصنوعی معادل اتصال شلنگ بین فرکانس رادیویی و آنتن است

تنظیم دیافراگم نسبتاً ساده است، فقط کافی است طول الکتریکی آنتن را تنظیم کنید.

از دیدگاه رادیولوژیکی، طول ایده‌آل یک آنتن، یک چهارم طول موج خواهد بود. در تلفن‌های همراه امروزی، به دلیل وجود شبکه کامل، دو سیم‌کارت همزمان آماده به کار و دلایل دیگر، فرکانس کاری سیستم ارتباطی موبایل به صورت پویا تغییر می‌کند. به عنوان مثال، گاهی اوقات با فرکانس ۲.۶ گیگاهرتز و گاهی اوقات با فرکانس ۳.۵ گیگاهرتز کار می‌کند.

اگر فرکانس کاری تغییر کند، به این معنی است که طول موج بهینه نیز تغییر می‌کند. بنابراین، برای دستیابی به بهترین اثر، لازم است که دیافراگم آنتن تنظیم شود، طول آنتن تنظیم شود و پیک موج افزایش یابد.

روی هم رفته، عملکرد اصلی فناوری تنظیم آنتن مبتنی بر تطبیق امپدانس و تنظیم دیافراگم، غلبه بر تأثیر محیط خارجی بر سیگنال آنتن، تنظیم پویای سیگنال و بهبود تجربه کاربری است.

طبق تأیید واقعی، با فناوری بهبود سیگنال به کمک هوش مصنوعی، دقت آگاهی موقعیتی سیستم می‌تواند تا 30 درصد بهبود یابد، که می‌تواند به طور قابل توجهی نرخ قطع تماس را کاهش داده و سرعت، پوشش و عمر باتری را بهبود بخشد.

▉نتیجه

فناوری‌های سیاه نوآورانه زیادی برای سیستم‌های فرکانس رادیویی 5G وجود دارد، مانند بهینه‌سازی چند حاملی، تنظیم جداسازی، همزمانی بهبود یافته چند سیم‌کارت و غیره. این فناوری‌های سیاه همگی نتیجه نوآوری‌های تکنولوژیکی هستند. آنها خرد مهندسان را متراکم کرده و پایه و اساس راه‌اندازی روان ترمینال‌های 5G را بنا نهادند.

فرکانس رادیویی 5G امروزی دیگر کمکی برای باند پایه نیست، بلکه یک جزء مهم تلفن همراه است که می‌تواند در جایگاهی برابر با باند پایه قرار گیرد و مکمل یکدیگر باشند.

با عمیق‌تر شدن مداوم ساخت شبکه 5G، علاوه بر ارتباطات تلفن همراه، سناریوهای کاربردی صنعتی عمودی بیشتری برای 5G آغاز شده است. اشکال ترمینال‌های 5G متنوع‌تر خواهد شد و آزمون بزرگ‌تری پیش روی بخش جلویی فرکانس رادیویی 5G قرار خواهد گرفت.

فرکانس رادیویی 5G تا آن زمان چه ترفندهای جدیدی را به کار خواهد گرفت؟ بیایید صبر کنیم و ببینیم!

این مقاله برگرفته از "دنیای مهندسی الکترونیک«در صورت وجود هرگونه تخلف یا موارد دیگر، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.»برای حمایت از حقوق مالکیت معنوی، لطفاً هنگام چاپ مجدد، منبع اصلی و نویسنده را ذکر کنید.