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Per quanto riguarda i chip a radiofrequenza, questo articolo è sufficiente!
2021-12-28
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Un telefono cellulare in grado di supportare chiamate, messaggi di testo, servizi di rete e applicazioni (APP) è generalmente composto da cinque parti:RF, banda base, gestione dell'alimentazione, periferiche, software.
RF:In generale, la parte in cui le informazioni vengono inviate e ricevute;
Banda base:Generalmente si tratta della parte di elaborazione delle informazioni;
Gestione energetica:In genere, si tratta della parte relativa al risparmio energetico. Poiché i telefoni cellulari sono dispositivi con energia limitata, la gestione dell'energia è molto importante;Periferiche:Generalmente include schermo LCD, tastiera, custodia, ecc.;:In genere include sistemi, driver, middleware e applicazioni.
Nei terminali di telefonia mobile, i componenti più importanti sono i chip a radiofrequenza e i chip di banda base.Il chip a radiofrequenza è responsabile della ricetrasmissione a radiofrequenza, della sintesi di frequenza e dell'amplificazione di potenza; il chip in banda base è responsabile dell'elaborazione del segnale e dell'elaborazione del protocollo.Qual è dunque la relazione tra i chip RF e i chip di banda base?
La relazione tra chip RF e chip di banda base
Radio frequency (Radio Frenquency) and baseband (Base Band) are both literal translations from English.Tra le varie applicazioni, la prima a utilizzare le radiofrequenze è la radiodiffusione senza fili (FM/AM). Ad oggi, questa rimane l'applicazione più classica della tecnologia delle radiofrequenze e persino del settore radiofonico.
La banda base è il segnale con il punto centrale della banda a 0 Hz, quindi la banda base è il segnale più elementare.Alcuni definiscono anche la banda base "segnale non modulato". Questa definizione era corretta in passato. Ad esempio, la modulazione AM è un segnale modulato (non è necessaria alcuna modulazione e il contenuto può essere letto dal componente di generazione del suono dopo la ricezione).
Nel campo delle comunicazioni moderne, tuttavia, i segnali in banda base si riferiscono solitamente a segnali modulati digitalmente con il punto centrale dello spettro a 0 Hz.Non esiste un concetto univoco che stabilisca se la banda base debba essere analogica o digitale. Tutto dipende dallo specifico meccanismo di implementazione.
Più vicino a casa, il chip di banda base può essere considerato comprensivo del modem, ma non si limita a quest'ultimo, includendo anche il codec di canale, il codec di sorgente e parte dell'elaborazione del segnale.Il chip a radiofrequenza può essere considerato come la più semplice conversione verso l'alto e verso il basso del segnale di modulazione in banda base.
La cosiddetta modulazione è il processo di modulazione del segnale da trasmettere sulla portante secondo determinate regole e il suo successivo invio tramite il ricetrasmettitore wireless (ricetrasmettitore RF). La demodulazione è il processo opposto.
Principio di funzionamento e analisi del circuito
La radiofrequenza, indicata con RF, si riferisce alla corrente a radiofrequenza, che è un'onda elettromagnetica alternata ad alta frequenza. È l'abbreviazione di Radio Frequency, che rappresenta le frequenze elettromagnetiche che possono essere irradiate nello spazio. La gamma di frequenza è compresa tra 300 kHz e 300 GHz.La corrente alternata che cambia meno di 1,000 volte al secondo è detta corrente a bassa frequenza, mentre la corrente alternata che cambia più di 10,000 volte al secondo è detta corrente ad alta frequenza; le radiofrequenze sono un esempio di corrente ad alta frequenza.Alta frequenza (superiore a 10 kHz); la radiofrequenza (300 kHz-300 GHz) è la banda di frequenza più alta dell'alta frequenza; la banda di frequenza delle microonde (300 MHz-300 GHz) è la banda di frequenza più alta della radiofrequenza.La tecnologia a radiofrequenza è ampiamente utilizzata nel campo delle comunicazioni wireless e i sistemi di televisione via cavo utilizzano la trasmissione a radiofrequenza.
Un chip a radiofrequenza è un componente elettronico che converte il segnale di comunicazione radio in una specifica forma d'onda e lo trasmette tramite risonanza d'antenna. Comprende un amplificatore di potenza, un amplificatore a basso rumore e un commutatore d'antenna.L'architettura del chip a radiofrequenza comprende due parti: il canale di ricezione e il canale di trasmissione.
Schema a blocchi del circuito RF
Struttura e principio di funzionamento del circuito ricevente
In fase di ricezione, l'antenna converte l'onda elettromagnetica inviata dalla stazione base in un debole segnale di corrente alternata, che viene filtrato, amplificato ad alta frequenza e inviato a una frequenza intermedia per la demodulazione, al fine di ottenere le informazioni in banda base ricevute (RXI-P, RXI-N, RXQ-P, RXQ-N); queste vengono quindi inviate al circuito logico audio per l'ulteriore elaborazione.
Questo circuito padroneggia i punti chiave:
1. Struttura del circuito ricevitore;
2. Le funzioni e le caratteristiche di ciascun componente;
3. Processo di ricezione del segnale.
Struttura del circuito
Il circuito ricevente è composto da antenna, commutatore d'antenna, filtro, valvola ad alta potenza (amplificatore a basso rumore), blocco integrato a frequenza intermedia (demodulatore ricevente) e altri circuiti.I primi telefoni cellulari erano dotati di circuiti di miscelazione primario e secondario, il cui scopo era quello di ridurre la frequenza di ricezione e quindi demodularla (come mostrato nella figura sottostante).
Schema a blocchi del circuito del ricevitore
2. Funzioni e caratteristiche di ciascun componente
1). Antenna del telefono cellulare:struttura:(nella foto sotto)Le antenne per telefoni cellulari si dividono in due tipi: antenne esterne e antenne interne; sono composte da una base, un solenoide e un involucro di plastica.
a) In fase di ricezione, le onde elettromagnetiche inviate dalla stazione base vengono convertite in deboli segnali di corrente alternata.
b) Durante la trasmissione, la corrente alternata amplificata dall'amplificatore di potenza viene convertita in un segnale a onda elettromagnetica.
2), Interruttore antenna:
struttura:(nella foto sotto)Il commutatore d'antenna per telefoni cellulari (combinatore, filtro duplex) è costituito da quattro interruttori elettronici.
Commutazione completa di ricezione e trasmissione;
Commutazione completa della ricezione del segnale a 900M/1800M.
Il circuito logico invia segnali di controllo (GSM-RX-EN; DCS-RX-EN; GSM-TX-EN; DCS-TX-EN) a seconda dello stato di funzionamento del telefono cellulare, in modo che i rispettivi canali vengano attivati e che i segnali di ricezione e trasmissione seguano il proprio percorso senza interferire l'uno con l'altro.
Poiché il telefono cellulare non può funzionare contemporaneamente in ricezione e in trasmissione (ovvero, non trasmette quando riceve e non riceve quando trasmette).Pertanto, i successivi telefoni cellulari hanno eliminato i due interruttori nel percorso di ricezione, lasciando solo due interruttori di trasmissione; il compito di commutazione in ricezione è stato svolto dal tubo amplificatore di alta potenza.
3), filtro:
struttura:Nei telefoni cellulari sono presenti filtri ad alta frequenza e filtri a media frequenza.effetto:Filtra gli altri segnali inutili e ottieni segnali ricevuti puri.I telefoni cellulari più recenti sono tutti telefoni cellulari a zero IF; pertanto, non è presente alcun filtro IF nel telefono cellulare.
4), tubo amplificatore ad alta frequenza (tubo amplificatore ad alta frequenza, amplificatore a basso rumore):
struttura:
Nei telefoni cellulari sono presenti due valvole amplificatrici ad alta potenza:Tubo di scarico ad alta portata da 900 m, tubo di scarico ad alta portata da 1800 m.Si tratta in tutti i casi di circuiti amplificatori a triodo a emettitore comune; successivamente, i nuovi telefoni cellulari hanno integrato valvole ad alta potenza nella gamma di frequenze intermedie.
Schema di alimentazione a valvole per amplificatori ad alta frequenza
Amplificare la debole corrente indotta dall'antenna per soddisfare i requisiti di ampiezza del segnale del circuito successivo.
Commutazione completa del segnale di ricezione 900M/1800M.
principio:
offerto da:Le tensioni di polarizzazione di base dei due tubi amplificatori ad alta frequenza da 900M/1800M condividono un canale, fornito dal canale simultaneo IF; la tensione di polarizzazione dei collettori dei due tubi viene inviata dalla CPU IF su due canali in base allo stato di ricezione del telefono cellulare. Il suo scopo è quello di completare la commutazione dei segnali di ricezione da 900M/1800M.
Dopo aver eliminato altri disturbi tramite il filtro, il segnale puro ricevuto a 935-960 MHz viene accoppiato tramite un condensatore e inviato al corrispondente tubo amplificatore ad alta frequenza per l'amplificazione, quindi inviato alla frequenza intermedia tramite l'accoppiamento capacitivo per la successiva elaborazione.
5), IF (interfaccia RF, processore di segnale RF):
struttura:È composto da un demodulatore di ricezione, un modulatore di trasmissione, un rivelatore di fase di trasmissione e altri circuiti; il nuovo telefono cellulare integra anche al suo interno un tubo amplificatore ad alta potenza, un sintetizzatore di frequenza, un oscillatore a 26 MHz e un circuito di divisione di frequenza (come mostrato di seguito).
a) Il tubo amplificatore interno amplifica la debole corrente indotta dall'antenna;
b) In fase di ricezione, demodulare il segnale di frequenza portante ricevuto (con informazioni di controparte) di 935M-960M (GSM) e il segnale dell'oscillatore locale (senza informazioni) per ottenere le informazioni in banda base ricevute di 67.707 kHz;
c) Durante la trasmissione, modulare le informazioni trasmesse elaborate dal circuito logico e il segnale dell'oscillatore locale in una frequenza intermedia di trasmissione;
d), combinare il cristallo 13M/26M per generare un clock 13M (circuito di clock di riferimento);e) In base al segnale di riferimento inviato dalla CPU, viene generato un segnale di oscillatore locale conforme al canale di lavoro del telefono cellulare.
3. Processo di ricezione del segnale
Quando il telefono cellulare è in ricezione, l'antenna converte l'onda elettromagnetica inviata dalla stazione base in un debole segnale di corrente alternata, che attraversa il percorso di ricezione dello switch dell'antenna e viene inviato a un filtro ad alta frequenza per eliminare altri disturbi inutili e ottenere un segnale ricevuto puro a 935M-960M (GSM), che viene accoppiato alla frequenza intermedia tramite un condensatore. Dopo l'amplificazione da parte dell'apposito tubo amplificatore, viene inviato al demodulatore per demodulare il segnale dell'oscillatore locale (privo di informazioni) e ottenere le informazioni in banda base di ricezione a 67.707 kHz (RXI-P, RXI-N, RXQ-P, RXQ-N); queste vengono quindi inviate al circuito audio logico per l'ulteriore elaborazione.
Struttura e principio di funzionamento del circuito trasmettitore
Durante la trasmissione, le informazioni in banda base elaborate dal circuito logico vengono modulate in una frequenza intermedia di trasmissione, e il TX-VCO viene utilizzato per convertire la frequenza del segnale a frequenza intermedia di trasmissione in un segnale di frequenza compreso tra 890 MHz e 915 MHz (GSM).Dopo essere stata amplificata dall'amplificatore di potenza, viene convertita in onde elettromagnetiche e irradiata dall'antenna.
Questo circuito padroneggia i punti chiave:
(1), struttura del circuito;
(2) Le funzioni e le funzioni di ciascun componente;
(3). Processo di trasmissione del segnale.
Struttura del circuito
Il circuito di trasmissione è composto da modulatore di trasmissione, rivelatore di fase di trasmissione, oscillatore controllato in tensione di trasmissione (TX-VCO), amplificatore di potenza, regolatore di potenza, trasformatore di trasmissione e altri circuiti all'interno della frequenza intermedia.(nella foto sotto)
Schema a blocchi del circuito del trasmettitore
1). Modulatore di trasmissione:struttura:Il modulatore di trasmissione si trova all'interno dell'IF, che è equivalente al MOD nella rete a banda larga.effetto:Durante la trasmissione, le informazioni in banda base (TXI-P; TXI-N; TXQ-P; TXQ-N) elaborate dal circuito logico e il segnale dell'oscillatore locale vengono modulati in una frequenza intermedia di trasmissione.
2). Oscillatore controllato in tensione di trasmissione (TX-VCO):struttura:L'oscillatore controllato in tensione di trasmissione è un circuito oscillatore capacitivo a tre punti la cui frequenza di uscita è controllata dalla tensione; è integrato in una piccola scheda a circuiti stampati durante la produzione e si collega a cinque pin:Pin di alimentazione, pin di massa, pin di uscita, pin di controllo, pin di commutazione della banda di frequenza 900M/1800M.Quando è presente una tensione di lavoro adeguata, oscillerà e genererà un segnale di frequenza corrispondente.
effetto:Convertire il segnale IF trasmesso, modulato dal modulatore IF, nel segnale di frequenza 890M-915M (GSM) che la stazione base può ricevere.
principio:Come ben sappiamo, la stazione base può ricevere solo segnali di frequenza compresi tra 890 MHz e 915 MHz (GSM), ma non può ricevere il segnale IF modulato dal modulatore IF (come ad esempio un segnale IF a 135 MHz trasmesso da Samsung). Pertanto, viene utilizzato un TX-VCO per convertire la frequenza del segnale IF trasmesso in un segnale di frequenza compreso tra 890 MHz e 915 MHz (GSM).
Durante la trasmissione, la sezione di alimentazione invia una tensione di 3VTX per far funzionare il TX-VCO, generando un segnale di frequenza di 890M-915M (GSM) in due modi:
a) Il campione viene rimandato all'IF interno, miscelato con il segnale dell'oscillatore locale per produrre un segnale di discriminazione della frequenza di trasmissione pari alla frequenza intermedia di trasmissione e inviato al rivelatore di fase per il confronto con la frequenza intermedia di trasmissione; se la frequenza di oscillazione del TX-VCO non corrisponde al canale di lavoro del telefono cellulare, il rivelatore di fase genererà una tensione di salto di 1-4 V (tensione CC con informazioni di trasmissione CA) per controllare la capacità del diodo varactor all'interno del TX-VCO al fine di regolare la precisione della frequenza.
b) Dopo essere stata amplificata dall'amplificatore di potenza, viene convertita in onde elettromagnetiche e irradiata dall'antenna.
Come si può vedere da quanto sopra:La frequenza generata dal TX-VCO viene campionata e rimandata all'IF, dove viene generata la tensione necessaria a controllare il funzionamento del TX-VCO. In questo modo si forma un anello chiuso che controlla la fase della frequenza; per questo motivo, questo circuito è anche chiamato circuito ad anello ad aggancio di fase in trasmissione (PLL).
3), amplificatore di potenza (amplificatore di potenza):
struttura:Attualmente, l'amplificatore di potenza dei telefoni cellulari è un amplificatore a doppia banda (amplificatore di potenza da 900 MHz e amplificatore di potenza da 1800 MHz integrati in un unico dispositivo), che si divide in due tipi: amplificatore di potenza in vinile e amplificatore di potenza con involucro in ferro; i diversi modelli di amplificatori di potenza non sono intercambiabili.
effetto:Amplificare il segnale di frequenza oscillato dal TX-VCO per ottenere una corrente di potenza sufficiente, che viene convertita in onde elettromagnetiche dall'antenna e irradiata.
Vale la pena notare:L'amplificatore di potenza amplifica l'ampiezza del segnale di frequenza trasmesso, non la sua frequenza.
Condizioni di funzionamento dell'amplificatore di potenza:
a), tensione di lavoro (VCC):L'amplificatore per cellulari è alimentato direttamente dalla batteria (3.6 V);
b), terminale di terra (GND):causando la formazione di un circuito chiuso da parte della corrente;
c), segnale di conversione di potenza a doppia frequenza (BANDSEL):Consente di controllare l'amplificatore di potenza per funzionare a 900 metri o 1800 metri;
d), segnale di controllo della potenza (PAC):Regolare il livello di amplificazione (corrente di funzionamento) dell'amplificatore di potenza;
e), segnale di ingresso (IN); segnale di uscita (OUT).
4). Trasformatore di trasmissione:struttura:Due bobine con uguale diametro del filo e uguale numero di spire sono posizionate vicine l'una all'altra e sono composte sfruttando il principio dell'induttanza mutua.effetto:Inviare il campione della corrente di potenza trasmessa dall'amplificatore di potenza al controllo di potenza.principio:Quando la corrente di potenza del trasmettitore dell'amplificatore di potenza attraversa il trasformatore del trasmettitore durante la trasmissione, sul suo lato secondario viene indotta una corrente di uguale intensità, che viene rilevata (raddrizzata ad alta frequenza) e inviata al controllo di potenza.
5), segnale del livello di potenza:Il cosiddetto livello di potenza indica che gli ingegneri, durante la programmazione del telefono cellulare, suddividono il segnale ricevuto in otto livelli. Ciascun livello di ricezione corrisponde a un livello di potenza di trasmissione (come mostrato nella tabella sottostante). Quando il telefono è in funzione, la CPU determina la distanza tra il telefono e la stazione base in base all'intensità del segnale ricevuto e invia un segnale di livello di trasmissione appropriato per determinare il livello di amplificazione dell'amplificatore di potenza (ovvero, quando la ricezione è forte, la trasmissione è debole).
In allegato la tabella dei livelli di potenza:
effetto:Confrontare il segnale di campionamento della corrente di potenza trasmessa con il segnale del livello di potenza per ottenere un segnale di tensione adeguato a controllare il livello di amplificazione dell'amplificatore di potenza.
principio:Quando la corrente di potenza attraversa il trasformatore di trasmissione durante la trasmissione, la corrente indotta nel suo secondario viene rilevata (raddrizzamento ad alta frequenza) e inviata al controllo di potenza; contemporaneamente, anche il segnale di livello di potenza preimpostato durante la programmazione viene inviato al controllo di potenza; i due segnali vengono confrontati internamente per generare un segnale di tensione che controlla il livello di amplificazione dell'amplificatore di potenza, in modo che la corrente di lavoro dell'amplificatore di potenza sia moderata, il che non solo consente di risparmiare energia ma prolunga anche la durata dell'amplificatore di potenza (maggiore è la tensione di controllo della potenza, maggiore è la potenza dell'amplificatore di potenza).
3. Processo di trasmissione del segnale
Durante la trasmissione, le informazioni in banda base (TXI-P; TXI-N; TXQ-P; TXQ-N) elaborate dal circuito logico vengono inviate al modulatore di trasmissione all'interno della frequenza intermedia e modulate con il segnale dell'oscillatore locale nella frequenza intermedia di trasmissione.Se la stazione base del segnale a frequenza intermedia non è in grado di riceverlo, è necessario utilizzare il TX-VCO per aumentare la frequenza del segnale a frequenza intermedia trasmesso a 890M-915M (GSM) affinché la stazione base possa riceverlo.Quando il TX-VCO è in funzione, il segnale di frequenza generato da 890M-915M (GSM) si propaga in due direzioni:
a) Un canale di campionamento viene ritrasmesso all'IF interno, miscelato con il segnale dell'oscillatore locale per produrre un segnale di discriminazione della frequenza di trasmissione pari alla frequenza intermedia di trasmissione e inviato al rilevatore di fase per il confronto con la frequenza intermedia di trasmissione; se la frequenza di oscillazione del TX-VCO non corrisponde al canale di lavoro del telefono cellulare, il rilevatore di fase genererà una tensione di salto di 1-4 V per controllare la capacità del diodo varactor all'interno del TX-VCO e regolare la frequenza.
b). L'amplificatore di potenza a due vie viene amplificato e convertito in onde elettromagnetiche dall'antenna per la radiazione.Per controllare il livello di amplificazione dell'amplificatore di potenza, quando la corrente di alimentazione attraversa il trasformatore di trasmissione, la corrente indotta nel suo secondario viene rilevata (tramite rettifica ad alta frequenza) e inviata al controllo di potenza; contemporaneamente, anche il segnale di livello di potenza preimpostato durante la programmazione viene inviato al controllo di potenza; i due segnali vengono confrontati internamente per generare un segnale di tensione che controlla il livello di amplificazione dell'amplificatore di potenza, in modo che la corrente di lavoro dell'amplificatore di potenza sia moderata, il che non solo consente di risparmiare energia ma prolunga anche la durata dell'amplificatore di potenza.
Stato attuale della filiera produttiva nazionale dei chip RF
Nel settore dei chip a radiofrequenza, il mercato è prevalentemente monopolizzato da giganti stranieri. Per quanto riguarda i chip a radiofrequenza prodotti in Cina, nessuna azienda è in grado di supportare autonomamente il modello operativo IDM (Integrated Design and Manufacturing), essendo perlopiù aziende di progettazione fabless; le aziende nazionali hanno invece sviluppato un modello operativo "soft IDM" attraverso la collaborazione in ambito di progettazione, fonderia e packaging.
Per quanto riguarda il packaging dei chip RF, da un lato, l'aumento della frequenza dei chip RF 5G comporta un maggiore impatto dei cavi di connessione nel circuito sulle prestazioni. Durante il packaging, è necessario ridurre la lunghezza dei cavi di connessione del segnale; dall'altro, l'amplificatore di potenza, l'amplificatore a basso rumore, l'interruttore e il filtro devono essere integrati in un modulo. Ciò consente, da un lato, di ridurre le dimensioni e, dall'altro, di facilitare l'utilizzo da parte dei produttori di terminali a valle.Per ridurre i parametri parassiti delle radiofrequenze, è necessario utilizzare le tecnologie di packaging Flip-Chip, Fan-In e Fan-Out.
Quando il Flip-Chip viene incapsulato con processi Fan-In e Fan-Out, non è necessario utilizzare connessioni di segnale tramite fili di collegamento in oro, il che riduce gli effetti elettrici parassiti causati da tali fili e migliora le prestazioni RF del chip. Nell'era del 5G, le elevate prestazioni del Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out, combinate con la tecnologia di incapsulamento SIP, rappresenteranno il futuro del packaging.
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