להבין את טכנולוגיית תדר הרדיו השחור של 5G במאמר אחד: המורכבות מפחידה, בדומה לפס הבסיס

טלפונים ניידים, כתכונה סטנדרטית בעידן האינטרנט הנייד, נכנסו לחיינו של כל אחד ואחת מאיתנו. בעזרתם, אנו יכולים לשוחח בצ'אט, לקנות, לצפות בתוכניות טלוויזיה כרצוננו וליהנות מחיים נפלאים.

מכיוון שטלפונים ניידים כל כך חשובים, אנשים מקדישים תשומת לב רבה לפיתוח טכנולוגיות קשורות. בכל פעם שמוצר חדש יוצא, התקשורת תפרסם דיווחים ארוכים, וגם יהיו דיונים סוערים ברשתות החברתיות.

עם זאת, תשומת הלב של אנשים לטלפונים ניידים מתמקדת לעתים קרובות במעבד, בכרטיס המסך, בפס הבסיס, במסך ובמצלמה. יש רכיב מיוחד כזה שהוא חשוב ביותר עבור טלפונים ניידים, אך מעטים שמים לב אליו.

איזה חלק זה? כן, זהו הגיבורה של המאמר שלנו היום - תדר רדיו.

▉מהו תדר רדיו

תדר רדיו, השם האנגלי הוא Radio Frequency, שהוא השם המוכר RF. מילולית, Radio Frequency פירושו תדר רדיו. אותות תדר רדיו מתייחסים ספציפית לגלי רדיו אלקטרומגנטיים בטווח תדרים של 300 קילו-הרץ ~ 300 גיגה-הרץ.

כידוע לכולנו, הסיבה לכך שטלפונים ניידים יכולים לתקשר עם תחנות בסיס מסתמכת על שליחה וקליטה של ​​גלים אלקטרומגנטיים רדיויים זה לזה.

סדרה של מעגלים, שבבים, רכיבים וכו' בטלפון נייד האחראים ספציפית על שליחה וקליטה של ​​גלי רדיו אלקטרומגנטיים נקראים יחד מערכת תדרי רדיו, או בקיצור "תדר רדיו" (אותו שם בהמשך).

תדר רדיו ופס הבסיס הם אבני היסוד של תפקודי התקשורת בטלפונים ניידים. אם אנו מתייחסים לתקשורת בין הטלפון הנייד לעולם החיצון כ"שירות אקספרס", אזי אחריותו של פס הבסיס הוא "לארוז/לפרוק" את הנתונים. אחריותו של תדר הרדיו היא לשדר/לקלוט "חבילות" דרך פס תדרי הרדיו הייעודי.

תרשים סכמטי: פס בסיס משמאל ו-RF מימין

איך נראה תדר רדיו? התמונה למטה מציגה את הפריסה הקדמית והאחורית של לוח המעגלים הראשי של מותג מסוים של טלפון נייד.

（图片来自ABI Research）

בתמונה, החלקים המסומנים בעיגול צהוב שייכים כולם לתדר רדיו. ניתן לראות שרכיבי תדר רדיו תופסים חלק גדול במבנה של טלפונים ניידים.

מנקודת מבט אדריכלית, מערכת תדרי רדיו שלמה כוללת שלושה חלקים: משדר-מקלט תדרי רדיו, חזית תדרי רדיו ואנטנה. חזית ה-RF כוללת גם רכיבים מרובים כגון מגברי הספק, עוקבי מעטפת, מגברים בעלי רעש נמוך, מסננים, מתגי אנטנה ומכווני אנטנה.

ארכיטקטורת RF

הפונקציות של כל רכיב בקצה הקדמי של ה-RF אינן מסובכות. לדוגמה, המגבר נועד להגביר את האות כך שניתן יהיה להעביר את האות רחוק יותר; המסנן נועד להסיר את העומס ולהפוך את האות ל"טהור" יותר; מתג האנטנה משמש לשליטה על הפתיחה והסגירה של האנטנה; התפקיד העיקרי של מקלט האנטנה הוא "לשחק" עם האנטנה כדי להשיג את אפקט המשדר הטוב ביותר...

מספר רב של רכיבי תדר רדיו משתפים פעולה זה עם זה ופועלים יחד כדי להשלים את "השלב הסופי" ולשדר את הנתונים הארוזים על ידי פס הבסיס "biu~biu~biu~".

אם תכנון תדר הרדיו אינו סביר וביצועי הרכיב יפגרו, הדבר ישפיע ישירות על יכולות השליחה והקליטה של ​​אותות אלחוטיים של הטלפון הנייד, ובכך ישפיע על יכולות התקשורת של הטלפון הנייד. הביטויים הספציפיים הם אות אלחוטי חלש, מרחק תקשורת קצר, מהירות רשת איטית וכו'.

במילים אחרות, אם יכולת תדר הרדיו של טלפון נייד אינה טובה, זה כמו מכונית עם עוצמה לא מספקת. לא משנה כמה פונקציות אחרות מפוארות, הן לא יתקבלו על ידי המשתמשים.

לכן, כאשר יצרני טלפונים ניידים מפתחים ומעצבים טלפונים ניידים, הם בדרך כלל משקיעים מאמץ רב בתדרי רדיו, מתכננים שוב ושוב ומבצעים בדיקות ואימות לפני שהם מעזים להשיק את המוצר הסופי.

▉אתגרי תדרי רדיו 5G

כיום, אנו נכנסים לעידן ה-5G בראש מורם. בהשוואה ל-4G המסורתי, האם ישנם שינויים במערכת תדרי הרדיו של 5G?

התשובה היא כן. לא רק שיש שינוי, זהו שינוי עצום.

בהשוואה ל-4G, 5G שיפרה משמעותית את מדדי הביצועים שלה. תרחיש ה-eMBB (פס רחב נייד משופר) של 5G מגביר את מהירויות הטלפונים הניידים לרמות ג'יגה-ביט או אפילו 10 ג'יגה-ביט, שהם בהתאמה פי 10/100 מקצב ה-LTE המוקדם (100Mbps).

2G/3G/4G, בתוספת 5G, בתוספת MIMO (טכנולוגיית ריבוי אנטנות), בתוספת המתנה כפולה של כרטיסי SIM כפולים, מכפילים את מספר האנטנות ורצועות התדרים הנתמכות של טלפונים ניידים. בימים הראשונים של 4G, היו פחות מ-20 שילובי רצועות תדרים. לעומת זאת,ל-5G יש יותר מ-10,000 שילובי פסי תדרים, המורכבות מפחידה.

במקביל, על מנת להבטיח שהמשתמשים יהיו מוכנים לשדרג (טאו) (צ'יאן), לא ניתן להגדיל את עובי ומשקלם של טלפונים ניידים 5G, לא ניתן להגדיל את צריכת החשמל ולא ניתן לקצר את זמן ההמתנה.

אם היית יצרן טלפונים ניידים, היית משתגע?

לכן, תדר הרדיו של טלפונים ניידים 5G חייב להמציא את עצמו מחדש וליצור במרץ ניסים וחדשנות.

כיצד לפתור את בעיות התכנון של מערכת תדרי רדיו? קוואלקום הציעה רעיון מאקרו וסיפקה ישירות "מודם ומערכת תדרי רדיו שלמה". תפיסה פופולרית פירושה שפס הבסיס, משדר-מקלט RF, קצה הקדמי של RF, מודול האנטנה, מסגרת התוכנה וכו' הושלמו כולם וסופקו ליצרן פתרון מלא.

במילים אחרות, הרעיון של תכנון רכיבי קצה כמו טלפונים ניידים 5G חייב לנטוש את הרעיון הקודם של "קניית סוס בשוק המזרחי, אוכף בשוק המערבי, רסן בשוק הדרומי ושוט בשוק הצפוני" ולהתמקד ברכיבים בודדים, ולאמץ במקום זאת פתרון משולב ברמת המערכת של "תכנון חבילה".

לדוגמה, בעבר, מפעל א' ייצר את פס הבסיס, מפעל ב' ייצר את תדר הרדיו, מפעל ג' ייצר את האנטנה, ואז מפעל ד' של טלפונים ניידים גילה כיצד לשלב ולחבר ביניהם. כיום, יצרנים רבי עוצמה אורזים ומעצבים ישירות את פס הבסיס, תדר הרדיו והאנטנה וכו', ואז מעבירים אותם ליצרני הטלפונים הניידים, כך שניתן יהיה להשתמש בהם במהירות.

אינטגרציה ברמת המערכת היא התוצאה הבלתי נמנעת של העלייה המשמעותית במורכבות של פס הבסיס ותדרי הרדיו של 5G.

זה כמו רכבת. בעבר, מהירותם של קרונות עור ירוקים הייתה איטית, ואת הקרון וחזית הקרון ניתן היה לתכנן ולייצר בנפרד, ואז לנסוע יחד. עם זאת, בעידן הרכבת המהירה, מדדי המהירות הוכפלו. אם ימשיכו לתכנן ולייצר אותם בנפרד, לא ניתן יהיה לתאם באופן מעמיק את הקרונות והקטר. לא רק שיהיה קשה להשיג את מדדי המהירות, אלא שגם עלולות להתעורר בעיות בטיחות.

לכן, רכבות EMU של רכבות מהירות מתוכננות ומיוצרות בדרך כלל באופן אחיד.

במילים אחרות, לנוכח האינדיקטורים הקשים של 5G שהוזכרו לעיל, יש צורך לבצע תכנון כולל של פס הבסיס ותדר הרדיו מנקודת מבט של אינטגרציה ברמת המערכת. בדרך זו, ניתן להשיג סינרגיה מושלמת בין תוכנה לחומרה ולהשיג ביצועים אופטימליים (קצב תפוקה, כיסוי וכו').

בנוסף להשגת האינדיקטורים, העיצוב המשולב מסייע גם בהפחתת הגודל הסופי של המערכת ומפחית את השטח שתופס הטלפון הנייד. לתכנון המשולב יש גם יתרונות ברורים מבחינת צריכת חשמל של המערכת ובקרת פיזור חום.

אחרון חביב, מתן פתרונות אינטגרציה ברמת המערכת יכול להפחית את קשיי התכנון של יצרני טלפונים ניידים, ולאפשר להם להשיק מוצרים מהר יותר ולתפוס את השוק.

▉טכנולוגיית שחור של תדר רדיו 5G

בואו נבחן מקרוב את הטכנולוגיות השחורות המעניינות של רדיו 5G משולב ברמת המערכת.

קודם כל, הטכנולוגיה השחורה הראשונה היא מעקב אחר מעטפות פס רחב.

כשהצגתי את ארכיטקטורת תדרי הרדיו קודם לכן, היה בה עוקב הספק. עוקבי הספק משמשים עם מגברי הספק.

מגבר ההספק הוא המרכיב המרכזי של תדר רדיו. הוא כמו רמקול, שהופך צלילים קטנים (אותות) לצלילים חזקים (אותות).

אם אתם רוצים לתקוע בחצוצרה, אתם בהחלט צריכים לעבוד קשה (אספקת חשמל). תפקידו של עוקב הכוח הוא לשלוט בעוצמת (הכוח) של התקיעה בצופר.

שיטת הניפוח המסורתית היא שיטת APT, שהיא מעקב אחר עוצמה ממוצעת. בתוך פרק זמן מסוים, עוצמת הניפוח נשארת קבועה.

וטכנולוגיית מעקב המעטפת רחבת פס (ET) מאפשרת שליטה מדויקת בהספק. במילים אחרות, פס הבסיס (מודם) יכול לשלוט במעקב המעטפת בתדר הרדיו בהתאם לשינויים באות, ובכך לשלוט במדויק בהספק השידור של האות האלחוטי.

צריכת החשמל המבוזבזת של מעקב מעטפת נמוכה משמעותית מזו של מעקב אחר הספק ממוצע מסורתי.

(תמונה מקוואלקום)

בדרך זו, נחסך משמעותית כוח פיזי (אנרגיה), צריכת החשמל של תדרי רדיו מופחתת, וזמן ההמתנה של הטלפון הנייד מתארך.

בקרת עוצמת שידור מדויקת מסייעת לטלפונים ניידים להשיג את יעילות שידור האות הטובה ביותר, ובכך להשיג איכות ערוץ טובה יותר. במהלך תהליך "התקשורת הדו-כיוונית" בין הטלפון הנייד לתחנת הבסיס, כאשר הטלפון הנייד משיג איכות ערוץ טובה יותר, תחנת הבסיס יכולה לתמוך בטלפון הנייד כדי להשיג שירותי עלייה וירידה טובים יותר, כגון תמיכה ב-2×2 MIMO, ומהירות הרשת חלקה יותר. בנוסף, איכות ערוץ טובה יותר יוצרת גם תנאים לצד תחנת הבסיס להקצות שיטות אפנון מסדר גבוה יותר (כגון 256QAM) לטלפונים ניידים, מה שיכול לשפר את תפוקת הטלפון הנייד ולתמוך בשירותי העברת נתונים מהירים וטובים יותר.

מספר דורות של מודמים של Snapdragon 5G ועוקבי מעטפת פס רחב משולבים במערכת RF שהוציאה Qualcomm בעבר כבר אימצו את הטכנולוגיה הנ"ל. עוקב מעטפת הפס הרחב האחרון שלה, QET7100, מציג שיפור של 30% ביעילות האנרגטית בהשוואה למוצרים המתקדמים ביותר המסופקים כיום על ידי יצרנים אחרים בשוק.

הטכנולוגיה השחורה השנייה שהצגנו היא טכנולוגיית שיפור אותות בסיוע בינה מלאכותית.

טכנולוגיה זו היא הטכנולוגיה החדשה והעדכנית ביותר ששוחררה במודם Snapdragon X65 5G ובמערכת תדרי הרדיו שהושקה בפברואר. זוהי גם הפעם הראשונה בתעשייה שטכנולוגיית בינה מלאכותית חמה הוצגה במערכת תדרי הרדיו של טלפונים ניידים כדי לשפר את האות.

הליבה של טכנולוגיית שיפור האות בסיוע בינה מלאכותית היא להכניס טכנולוגיית בינה מלאכותית למערכת כוונון האנטנה. ישנן שתי שיטות לכוונון אנטנה, האחת היא התאמת עכבה והשנייה היא כוונון צמצם.

בואו נסתכל תחילה על התאמת עכבה.

ניתן להבין את מה שנקרא התאמת עכבה כמעין עבודת "צינור מים".

החיבור בין רכיבי מערכת ה-RF לאנטנה דומה לחיבור בין שני צינורות מים. כאשר העכבות עקביות, המיקומים תואמים בצורה מושלמת. בשלב זה, זרימת המים היא הגדולה ביותר ויעילות האות היא הגבוהה ביותר. אם העכבה של הרכיב תזוז, צינור המים יהיה עקום, זרימת המים תהיה קטנה וחלק מזרימת המים יתבזבז.

ישנן סיבות רבות לשינויי עכבה, כגון מגע ידני, חיבור קווי נתונים, התקנת כיסויים לטלפונים ניידים וכו'. אפילו מחוות אחיזה שונות (יד שמאל, יד ימין, יד אחת, שתי ידיים) יביאו לעכבות שונות.

שיטת התאמת העכבה המסורתית היא לבדוק גורמים שונים לשינויי עכבה במעבדה כדי למצוא את ערכי מאפייני האנטנה, ולאחר מכן לשלוט ברכיבי תדר הרדיו דרך המודם כדי להתאים את העכבה כך שצינור קבלת המים יהיה מיושר עם צינור אספקת המים ככל האפשר.

טכנולוגיית שיפור האות בסיוע בינה מלאכותית מציגה אלגוריתמים של בינה מלאכותית לביצוע ניתוח ביג דאטה ולמידת מכונה על ערכי מאפייני האנטנה עקב שינויי עכבה שונים, במטרה להשיג התאמה חכמה של העכבה ולהשיג את אפקט ההתאמה המושלם ביותר.

במילים פשוטות, זה קצת כמו התקנת צינור קת בין צינור אספקת המים לצינור קבלת המים כדי למנוע בזבוז של זרימת המים ככל האפשר.

שיפור אות בסיוע בינה מלאכותית שווה ערך לצינור עגינה בין תדר הרדיו לאנטנה

כוונון הצמצם הוא פשוט יחסית, רק להתאים את האורך החשמלי של האנטנה.

מנקודת מבט רדיולוגית, האורך המושלם של אנטנה יהיה רבע מאורך הגל. בטלפונים הניידים של היום, עקב נטקום מלא, המתנה כפולה עם כרטיסי SIM כפולים וסיבות אחרות, תדר העבודה של מערכת התקשורת הסלולרית משתנה באופן דינמי. לדוגמה, לפעמים היא עובדת בתדר 2.6GHz ולפעמים היא עובדת בתדר 3.5GHz.

אם תדר הפעולה משתנה, פירוש הדבר שגם אורך הגל האופטימלי משתנה. לכן, יש צורך לכוון את צמצם האנטנה, להתאים את אורך האנטנה ולהאריך את שיא הגל כדי להשיג את האפקט הטוב ביותר.

בסך הכל, התפקיד העיקרי של טכנולוגיית כוונון אנטנות המבוססת על התאמת עכבה וכוונון צמצם הוא להתגבר על השפעת הסביבה החיצונית על אות האנטנה, להתאים את האות באופן דינמי ולשפר את חוויית המשתמש.

על פי אימות בפועל, בעזרת טכנולוגיית שיפור אותות בסיוע בינה מלאכותית, ניתן לשפר את דיוק מודעות המצב של המערכת ב-30%, מה שיכול להפחית משמעותית את שיעור ניתוק השיחות ולשפר את המהירות, הכיסוי וחיי הסוללה.

▉סיכום

ישנן טכנולוגיות שחורות חדשניות רבות עבור מערכות תדרי רדיו 5G, כגון אופטימיזציה של מספר ספקים, כוונון ניתוק, שיפור מקביליות של מספר כרטיסי SIM וכו'. טכנולוגיות שחורות אלו הן כולן תוצאה של חדשנות טכנולוגית. הן ריכזו את חוכמתם של מהנדסים והניחו את היסודות להשקה חלקה של מסופי 5G.

תדר הרדיו 5G של היום כבר אינו רכיב עזר לפס הבסיס, אלא רכיב חשוב בטלפון נייד שיכול להיות שווה לפס הבסיס ולהשלים זה את זה.

עם העמקת בניית רשתות 5G, בנוסף לתקשורת טלפונים ניידים, החלו להיווצר יותר ויותר תרחישי יישומים אנכיים בתעשיית 5G. צורותיהם של מסופי 5G יהפכו מגוונות, ומבחן גדול יותר יעמוד בפני חזית תדרי הרדיו של 5G.

אילו טריקים חדשים יפעיל תדר הרדיו של 5G עד אז? בואו נחכה ונראה!

מאמר זה מגיע מ"עולם ההנדסה האלקטרונית", אם יש הפרה או בעיות אחרות, אנא צרו איתנו קשר כדי למחוק אותה.לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני, אנא ציין את המקור המקורי ואת המחבר בעת הדפסה חוזרת.