Comprendere la tecnologia 5G a radiofrequenza in un solo articolo: la complessità è terrificante, paragonabile a quella della banda base.

I telefoni cellulari, ormai parte integrante dell'era di Internet mobile, sono entrati a far parte della vita di ognuno di noi. Grazie ad essi, possiamo chattare, fare acquisti, guardare programmi televisivi a nostro piacimento e goderci una vita meravigliosa.

Data l'importanza dei telefoni cellulari, le persone prestano grande attenzione allo sviluppo delle tecnologie correlate. Ogni volta che viene lanciato un nuovo prodotto, i media pubblicano lunghi reportage e si accendono accese discussioni sui social network.

Tuttavia, l'attenzione delle persone verso i telefoni cellulari si concentra spesso su CPU, GPU, banda base, schermo e fotocamera. Esiste però un componente speciale, estremamente importante per i telefoni cellulari, a cui poche persone prestano attenzione.

Di quale componente si tratta? Sì, è il protagonista del nostro articolo di oggi: la radiofrequenza.

▉cos'è la radiofrequenza

La radiofrequenza, il cui nome in inglese è Radio Frequency, è la nota RF. Letteralmente, Radio Frequency significa frequenza radio. I segnali a radiofrequenza si riferiscono specificamente a onde elettromagnetiche radio con una gamma di frequenza compresa tra 300 kHz e 300 GHz.

As we all know, the reason why mobile phones can communicate with base stations relies on sending and receiving radio electromagnetic waves to each other.

L'insieme di circuiti, chip, componenti, ecc. presenti in un telefono cellulare, specificamente responsabili dell'invio e della ricezione di onde elettromagnetiche a radiofrequenza, è chiamato sistema a radiofrequenza, o semplicemente "radiofrequenza" (come indicato anche di seguito).

La radiofrequenza e la banda base sono i pilastri delle funzioni di comunicazione dei telefoni cellulari. Se consideriamo la comunicazione tra il telefono cellulare e il mondo esterno come un "servizio espresso", allora la responsabilità della banda base è quella di "impacchettare/disimpacchettare" i dati. La responsabilità della radiofrequenza è quella di trasmettere/ricevere i "pacchetti" attraverso la banda di frequenza radio designata.

Schema a blocchi: banda base a sinistra e RF a destra.

Che aspetto ha la radiofrequenza? L'immagine qui sotto mostra la disposizione anteriore e posteriore della scheda madre di una determinata marca di telefono cellulare.

（图片来自ABI Research）

Nell'immagine, le parti cerchiate in giallo appartengono tutte alla radiofrequenza. Si può notare che i componenti a radiofrequenza occupano una parte considerevole della struttura dei telefoni cellulari.

Dal punto di vista architettonico, un sistema a radiofrequenza completo comprende tre parti: ricetrasmettitore a radiofrequenza, front-end a radiofrequenza e antenna. Il front-end RF include a sua volta diversi componenti come amplificatori di potenza, inseguitori di inviluppo, amplificatori a basso rumore, filtri, commutatori d'antenna e accordatori d'antenna.

Architettura RF

The functions of each component of the RF front-end are not complicated. For example, the amplifier is to amplify the signal so that the signal can be transmitted farther; the filter is to remove the clutter and make the signal more "pure"; the antenna switch is used to control the opening and closing of the antenna; the main function of the antenna tuner is to "play with" the antenna to obtain the best transceiver effect...

Un gran numero di componenti a radiofrequenza cooperano tra loro e lavorano insieme per completare il "passaggio finale" e trasmettere i dati impacchettati dalla banda base "biu~biu~biu~".

Se la progettazione della frequenza radio non è adeguata e le prestazioni dei componenti sono insufficienti, ciò influirà direttamente sulle capacità di trasmissione e ricezione del segnale wireless del telefono cellulare, compromettendone le funzionalità di comunicazione. Le manifestazioni specifiche includono un segnale wireless debole, una distanza di comunicazione ridotta, una velocità di rete lenta, ecc.

In altre parole, se la capacità di trasmissione a radiofrequenza di un telefono cellulare non è buona, è come un'auto con poca potenza. Non importa quanto siano sofisticate le altre funzioni, non verrà accettato dagli utenti.

Pertanto, quando i produttori di telefoni cellulari sviluppano e progettano i dispositivi, di solito dedicano molti sforzi alle radiofrequenze, effettuando ripetutamente test e verifiche prima di osare lanciare il prodotto finale.

▉sfide relative alle radiofrequenze del 5G

Oggi entriamo nell'era del 5G a testa alta. Rispetto al tradizionale 4G, ci sono cambiamenti nel sistema di radiofrequenza del 5G?

La risposta è sì. Non solo c'è un cambiamento, ma è un cambiamento epocale.

Rispetto al 4G, il 5G ha migliorato notevolmente le sue prestazioni. Lo scenario eMBB (enhanced mobile broadband) del 5G aumenta la velocità dei telefoni cellulari fino a livelli Gigabit o addirittura 10 Gigabit, che sono rispettivamente 10/100 volte superiori alla velocità iniziale dell'LTE (100 Mbps).

2G/3G/4G, più 5G, più MIMO (tecnologia multi-antenna), più dual-SIM dual-standby, il doppio del numero di antenne e bande di frequenza supportate dai telefoni cellulari. Agli albori del 4G, c'erano meno di 20 combinazioni di bande di frequenza. Al contrario,Il 5G ha più di 10,000 combinazioni di bande di frequenzala complessità è terrificante.

At the same time, in order to ensure that users are willing to upgrade (tāo) (qián), the thickness and weight of 5G mobile phones cannot be increased, power consumption cannot be increased, and the standby time cannot be reduced.

Se foste un produttore di telefoni cellulari, impazzireste?

Pertanto, la frequenza radio dei telefoni cellulari 5G deve reinventarsi e creare con vigore miracoli e innovazioni.

How to solve the design problems of radio frequency system? Qualcomm proposed a macro idea and directly provided "complete modem and radio frequency system." Popular understanding means that the baseband, RF transceiver, RF front-end, antenna module, software framework, etc. are all completed and a complete solution is provided to the manufacturer.

In altre parole, il concetto di progettazione di componenti terminali come i telefoni cellulari 5G deve abbandonare la precedente idea di "comprare un cavallo al mercato dell'est, una sella al mercato dell'ovest, una briglia al mercato del sud e una frusta al mercato del nord" e concentrarsi sui singoli componenti, per adottare invece una soluzione integrata a livello di sistema di "progettazione del pacchetto".

Ad esempio, in passato, la fabbrica A produceva la banda base, la fabbrica B produceva la radiofrequenza, la fabbrica C produceva l'antenna, e poi la fabbrica di telefoni cellulari D si occupava di integrare e collegare i vari componenti. Oggi, i grandi produttori progettano e assemblano direttamente la banda base, la radiofrequenza, l'antenna, ecc., e poi li consegnano ai produttori di telefoni cellulari, in modo che possano essere utilizzati rapidamente.

L'integrazione a livello di sistema è la conseguenza inevitabile del notevole aumento di complessità della banda base e della radiofrequenza 5G.

È come un treno. In passato, la velocità delle carrozze in pelle verde era bassa, e le carrozze e la parte anteriore del vagone potevano essere progettate e costruite separatamente, per poi circolare insieme. Tuttavia, nell'era dell'alta velocità, gli indicatori di velocità sono raddoppiati. Se si continua a progettare e costruire separatamente le carrozze e la locomotiva, non sarà possibile una perfetta coordinazione. Non solo sarà difficile raggiungere gli indicatori di velocità, ma potrebbero anche sorgere problemi di sicurezza.

Pertanto, i treni elettrici ad alta velocità vengono solitamente progettati e fabbricati in modo uniforme.

In other words, in the face of the harsh 5G indicators mentioned above, it is necessary to conduct an overall design of baseband and radio frequency from the perspective of system-level integration. In this way, the two can achieve perfect software and hardware synergy and achieve optimal performance (throughput rate, coverage, etc.).

Oltre al raggiungimento degli indicatori prefissati, il design integrato contribuisce anche a ridurre le dimensioni finali del sistema e lo spazio occupato dal telefono cellulare. Anche per quanto riguarda il consumo energetico del sistema e il controllo della dissipazione del calore, il design integrato offre evidenti vantaggi.

Infine, ma non meno importante, fornire soluzioni di integrazione a livello di sistema può ridurre la complessità di progettazione per i produttori di telefoni cellulari, consentendo loro di lanciare i prodotti più rapidamente e conquistare il mercato.

▉tecnologia 5G a radiofrequenza

Analizziamo più da vicino le interessanti tecnologie "segrete" della radio 5G integrata a livello di sistema.

Innanzitutto, la prima tecnologia nera è il tracciamento dell'inviluppo a banda larga.

Quando ho presentato in precedenza l'architettura a radiofrequenza, era presente un inseguitore di potenza. Gli inseguitori di potenza vengono utilizzati con gli amplificatori di potenza.

L'amplificatore di potenza è il componente fondamentale della radiofrequenza. È come un altoparlante, che trasforma i suoni deboli (segnali) in suoni forti (segnali).

If you want to blow the trumpet, you definitely need to work hard (power supply). The function of the power tracker is to control the intensity (power) of blowing the horn.

Il metodo di soffiaggio tradizionale è il metodo APT, ovvero il tracciamento della potenza media. Entro un certo periodo di tempo, la forza di soffiaggio rimane costante.

La tecnologia di tracciamento dell'inviluppo a banda larga (ET) consente un controllo preciso della potenza. In altre parole, il modem (banda base) può controllare il tracciatore dell'inviluppo nella frequenza radio in base alle variazioni del segnale, controllando così con precisione la potenza di trasmissione del segnale wireless.

Il consumo energetico sprecato del tracciamento dell'inviluppo è significativamente inferiore a quello del tradizionale tracciamento della potenza media.

(Immagine fornita da Qualcomm)

In this way, physical strength (energy) is greatly saved, radio frequency power consumption is reduced, and the standby time of the mobile phone is increased.

Il controllo preciso della potenza di trasmissione aiuta i telefoni cellulari a ottenere la migliore efficienza di trasmissione del segnale, garantendo così una migliore qualità del canale. Durante la "comunicazione bidirezionale" tra il telefono cellulare e la stazione base, quando il telefono cellulare ottiene una migliore qualità del canale, la stazione base può supportare il telefono cellulare per ottenere servizi di uplink e downlink migliori, come il supporto 2×2 MIMO, e la velocità di rete risulta più fluida. Inoltre, una migliore qualità del canale crea anche le condizioni affinché la stazione base possa assegnare ai telefoni cellulari metodi di modulazione di ordine superiore (come 256QAM), il che può migliorare il throughput del telefono cellulare e supportare servizi di trasmissione dati più veloci e di migliore qualità.

Diverse generazioni di modem Snapdragon 5G e tracker di inviluppo a banda larga integrati nei sistemi RF, precedentemente rilasciati da Qualcomm, hanno già adottato la tecnologia sopra descritta. Il suo più recente tracker di inviluppo a banda larga, il QET7100, offre un miglioramento del 30% in termini di efficienza energetica rispetto ai prodotti più avanzati attualmente offerti da altri produttori sul mercato.

La seconda tecnologia innovativa che abbiamo introdotto è la tecnologia di potenziamento del segnale assistita dall'intelligenza artificiale.

Questa tecnologia è l'ultima novità introdotta nel modem Snapdragon X65 5G e nel sistema a radiofrequenza, lanciato a febbraio. È anche la prima volta nel settore che una tecnologia AI all'avanguardia viene applicata al sistema a radiofrequenza di un telefono cellulare per potenziare il segnale.

The core of AI-assisted signal enhancement technology is to introduce AI technology into the antenna tuning system. There are two methods of antenna tuning, one is impedance matching and the other is aperture tuning.

Diamo prima un'occhiata all'adattamento dell'impedenza.

Il cosiddetto adattamento di impedenza può essere inteso come una sorta di lavoro di "tubazione dell'acqua".

Il collegamento tra i componenti di un sistema RF e l'antenna è paragonabile al collegamento tra due tubi dell'acqua. Quando le impedenze sono coerenti, le posizioni corrispondono perfettamente. In queste condizioni, il flusso d'acqua è massimo e l'efficienza del segnale è elevata. Se l'impedenza del componente varia, il tubo dell'acqua si incurva, il flusso d'acqua diminuisce e parte di esso viene sprecato.

Esistono molteplici ragioni per cui l'impedenza può variare, come ad esempio il contatto con la mano, l'inserimento di cavi dati, l'installazione di custodie per cellulari, ecc. Anche diverse modalità di impugnatura (mano sinistra, mano destra, una mano, due mani) possono causare variazioni di impedenza.

Il metodo tradizionale di adattamento di impedenza consiste nel testare in laboratorio diverse cause di variazione di impedenza per trovare i valori caratteristici dell'antenna, e quindi controllare le componenti a radiofrequenza tramite il modem per regolare l'impedenza in modo che il tubo di ricezione dell'acqua sia allineato il più possibile con il tubo di alimentazione dell'acqua.

The AI-assisted signal enhancement technology introduces AI algorithms to conduct big data analysis and machine learning on the antenna characteristic values ​​due to various impedance changes to achieve intelligent adjustment of impedance and achieve the most perfect matching effect.

Per dirla senza mezzi termini, è un po' come installare un tubo di gomma tra il tubo di alimentazione dell'acqua e quello di ricezione per evitare il più possibile sprechi d'acqua.

AI-assisted signal enhancement is equivalent to the docking hose between the radio frequency and the antenna

Aperture tuning is relatively simple, just adjust the electrical length of the antenna.

From a radiological perspective, the perfect length of an antenna would be one quarter of the wavelength. Today's mobile phones, due to full Netcom, dual-SIM dual-standby and other reasons, the working frequency of the mobile communication system changes dynamically. For example, sometimes it works at 2.6GHz and sometimes it works at 3.5GHz.

Se la frequenza operativa cambia, significa che anche la lunghezza d'onda ottimale cambia. Pertanto, è necessario regolare l'apertura dell'antenna, modificarne la lunghezza e allungare il picco dell'onda per ottenere il miglior effetto.

All in all, the main function of antenna tuning technology based on impedance matching and aperture tuning is to overcome the impact of the external environment on the antenna signal, dynamically adjust the signal, and improve the user experience.

Secondo verifiche concrete, grazie alla tecnologia di potenziamento del segnale assistita dall'intelligenza artificiale, la precisione del sistema nella percezione della situazione può essere migliorata del 30%, riducendo significativamente il tasso di interruzione delle chiamate e migliorando velocità, copertura e durata della batteria.

▉Conclusione

There are many innovative black technologies for 5G radio frequency systems, such as multi-carrier optimization, decoupling tuning, multi-SIM card enhanced concurrency, etc. These black technologies are all the results of technological innovation. They condensed the wisdom of engineers and laid the foundation for the smooth launch of 5G terminals.

Oggi la frequenza radio 5G non è più un ausilio alla banda base, ma un componente importante dei telefoni cellulari, in grado di essere alla pari con la banda base e di integrarsi a vicenda.

Con il continuo sviluppo della rete 5G, oltre alle comunicazioni di telefonia mobile, stanno emergendo sempre più scenari applicativi verticali per il 5G. Le tipologie di terminali 5G diventeranno sempre più diversificate e le interfacce di radiofrequenza 5G saranno sottoposte a sfide sempre maggiori.

Quali nuove sorprese ci riserverà la frequenza radio 5G? Non ci resta che aspettare e vedere!

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