無線周波数チップに関しては、この記事だけで十分です！

2021-12-28 640

通話、テキストメッセージ、ネットワークサービス、アプリアプリケーションをサポートする携帯電話は、通常、次の5つの部分から構成されています。RF、ベースバンド、電源管理、周辺機器、ソフトウェア。

RF：一般的に、情報の送受信が行われる部分。

ベースバンド:一般的には、情報処理部分を指します。

パワー管理：一般的に、これは省電力の部分です。携帯電話はエネルギーが限られているデバイスなので、電力管理は非常に重要です。周辺機器：一般的には、液晶ディスプレイ、キーボード、ケースなどが含まれます。ソフトウェア：一般的に、システム、ドライバ、ミドルウェア、およびアプリケーションが含まれます。

携帯電話端末において、最も重要なコアは無線周波数チップとベースバンドチップである。無線周波数チップは、無線周波数送受信、周波数合成、および電力増幅を担当し、ベースバンドチップは、信号処理およびプロトコル処理を担当する。では、RFチップとベースバンドチップの関係とは何でしょうか？

RFチップとベースバンドチップの関係
Radio frequency (Radio Frenquency) and baseband (Base Band) are both literal translations from English.中でも、無線周波数の最も初期の応用例はラジオ放送（FM/AM）です。これは現在でも無線周波数技術、ひいてはラジオ分野における最も古典的な応用例と言えるでしょう。

ベースバンドとは、帯域の中心点が0Hzの信号であり、したがって最も基本的な信号である。ベースバンドを「無変調信号」と呼ぶ人もいます。この概念はかつては正しかったのですが、例えばAMは変調信号です（変調は不要で、受信後に音声発生器を通して内容を読み取ることができます）。

しかし、現代の通信分野では、ベースバンド信号とは通常、スペクトルの中心点が0Hzであるデジタル変調信号を指します。また、ベースバンドがアナログでなければならないかデジタルでなければならないかという明確な概念はありません。それはすべて、具体的な実装メカニズムに依存します。

より身近な例を挙げると、ベースバンドチップにはモデムが含まれると考えられるが、モデムに限らず、チャネルコーデック、ソースコーデック、および一部の信号処理機能も含まれる。無線周波数チップは、ベースバンド変調信号の最も単純なアップコンバージョンおよびダウンコンバージョンとみなすことができる。

変調とは、送信する信号を一定の規則に従って搬送波に乗せ、無線送受信機（RFトランシーバー）を通して送信するプロセスです。復調はその逆のプロセスです。

動作原理と回路解析
無線周波数（RF）とは、高周波交流電磁波である無線周波数電流を指します。これは、宇宙空間に放射可能な電磁周波数を表す「無線周波数」の略語です。周波数範囲は300kHzから300GHzです。1秒間に1,000回未満しか変化しない交流電流を低周波電流と呼び、10,000回以上変化する交流電流を高周波電流と呼ぶ。無線周波数はそのような高周波電流の一種である。高周波（10kHz以上）；無線周波数（300kHz～300GHz）は高周波のさらに高い周波数帯域であり、マイクロ波周波数帯域（300MHz～300GHz）は無線周波数のさらに高い周波数帯域である。無線周波数技術は無線通信の分野で広く利用されており、ケーブルテレビシステムも無線周波数伝送を利用している。

無線周波数チップとは、無線信号通信を特定の無線信号波形に変換し、アンテナ共振を通して送信する電子部品のことである。これには、電力増幅器、低雑音増幅器、およびアンテナスイッチが含まれる。無線周波数チップのアーキテクチャは、受信チャネルと送信チャネルの2つの部分から構成される。

RF回路ブロック図

受信回路の構造と動作原理
受信時、アンテナは基地局から送信された電磁波を微弱な交流電流信号に変換し、これをフィルタリング、高周波で増幅した後、中間周波数に送って復調し、受信ベースバンド情報（RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N）を取得します。その後、ロジックオーディオ回路に送られ、さらに処理されます。

この回路は重要なポイントを網羅しています。
1. 受信回路の構成；
2. 各構成要素の機能と役割。
3. 受信信号処理。

回路構造
受信回路は、アンテナ、アンテナスイッチ、フィルタ、高出力管（低雑音増幅器）、中間周波数集積ブロック（受信復調器）などの回路で構成されている。初期の携帯電話には、受信周波数を下げてから復調するための一次および二次混合回路が搭載されていました（下図参照）。

受信機回路ブロック図

2. 各コンポーネントの機能と役割
1) 携帯電話アンテナ：構造：（下図参照）携帯電話のアンテナは、外部アンテナと内部アンテナの2種類に分けられ、アンテナベース、ソレノイド、およびプラスチック製の外被で構成されています。

効果：
a) 受信時には、基地局から送信された電磁波は微弱な交流電流信号に変換されます。
b) 送信時には、電力増幅器によって増幅された交流電流が電磁波信号に変換されます。

2) アンテナスイッチ:
構造：（下図参照）携帯電話アンテナスイッチ（コンバイナ、デュプレックスフィルタ）は、4つの電子スイッチで構成されています。

効果：

受信と送信の切り替えを完了します。
900M/1800M信号受信の切り替え機能を完全に備えています。

ロジック回路は、携帯電話の動作状態に応じて制御信号（GSM-RX-EN、DCS-RX-EN、GSM-TX-EN、DCS-TX-EN）をそれぞれ送信し、それぞれのチャネルをオンにすることで、受信信号と送信信号が互いに干渉することなくそれぞれ独立して伝送されるようにします。
携帯電話は、受信と送信を同時に行う場合、同じ時間帯では動作できないためです（つまり、受信中は送信せず、送信中は受信しません）。そのため、後の新型携帯電話では受信経路の2つのスイッチが取り除かれ、送信側の2つのスイッチのみが残されました。受信切り替え処理は高増幅管によって行われるようになりました。
3) フィルター:
構造：携帯電話には高周波フィルターと中周波フィルターが搭載されている。効果：不要な信号を除去し、純粋な受信信号を取得する。最近の新型携帯電話はすべてゼロIF携帯電話であり、そのため携帯電話にはIFフィルターは搭載されていません。
4) 高増幅管（高周波増幅管、低雑音増幅器）：
構造：
携帯電話には2つの高増幅管が搭載されています。900m高出力放水管、1800m高出力放水管。これらはすべて三極管共通エミッタ増幅回路であり、後の新しい携帯電話では中間周波数帯域内に高増幅管が組み込まれている。

高周波増幅器用真空管電源回路図

効果：

アンテナによって誘起される微弱な電流を増幅し、後段回路の信号振幅要件を満たすようにする。
900M/1800M受信信号の切り替えを完全に実行します。

原理：

搭載：900M/1800Mの2つの高増幅管のベースバイアス電圧は、IF同時チャンネルによって供給される1つのチャンネルを共有します。また、2つの増幅管のコレクタバイアス電圧は、携帯電話の受信状態に応じてIF CPUによって2つのチャンネルに出力されます。これは、900M/1800M受信信号の切り替えを完了することを目的としています。
フィルタを通して他の雑音を除去した後、純粋な935M～960Mの受信信号はコンデンサによって結合され、対応する高増幅管に送られて増幅され、その後、コンデンサ結合を介して中間周波数に送られ、後段の処理に供される。

5) IF（RFインターフェース、RF信号プロセッサ）：
構造：受信復調器、送信変調器、送信位相検出器などの回路で構成されており、新しい携帯電話には高増幅管、周波数合成、26M発振、周波数分割回路も内蔵されています（下図参照）。

効果：
a) 内部の高増幅管は、アンテナによって誘起される微弱な電流を増幅する。
b) 受信時には、935M-960M（GSM）の受信搬送周波数信号（対応情報あり）と局部発振器信号（情報なし）を復調して、67.707KHZの受信ベースバンド情報を取得する。
c) 送信時には、論理回路で処理された送信情報と局部発振器信号を、送信中間周波数に変調する。
d) 13M/26M水晶を組み合わせて13Mクロックを生成する（基準クロック回路）。e) CPUから送信された基準信号に基づいて、携帯電話の動作チャネルに適合する局部発振器信号が生成される。

3. 受信信号処理
携帯電話が受信する際、アンテナは基地局から送信された電磁波を微弱な交流電流信号に変換し、アンテナスイッチの受信経路を通過して高周波フィルタに送られ、他の不要なノイズを除去して純粋な935M-960M（GSM）受信信号を取得します。この信号はコンデンサによって中間周波数に結合されます。対応する高増幅管で増幅された後、復調器に送られ、局部発振器信号（情報なし）を復調して67.707KHZの受信ベースバンド情報（RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N）を取得します。この情報はロジックオーディオ回路に送られ、さらに処理されます。

送信回路の構造と動作原理
送信時には、ロジック回路によって処理された送信ベースバンド情報が送信中間周波数に変調され、TX-VCOを使用して送信中間周波数信号の周波数を890M～915M（GSM）の周波数信号に変換します。電力増幅器で増幅された後、電磁波に変換され、アンテナから放射される。

この回路は重要なポイントを網羅しています。
（１）回路構成
（２）各構成要素の機能と役割
（３）信号伝送プロセス

回路構造
送信回路は、送信変調器、送信位相検出器、送信電圧制御発振器（TX-VCO）、電力増幅器、電力制御装置、送信トランス、および中間周波数内のその他の回路で構成されています。（下図参照）

送信機回路ブロック図

2. 各コンポーネントの機能と役割
1) 送信変調器:構造：送信変調器は中間周波数（IF）内にあり、これはブロードバンドネットワークにおける変調器（MOD）に相当する。効果：送信中、論理回路によって処理された送信ベースバンド情報（TXI-P、TXI-N、TXQ-P、TXQ-N）と局部発振器信号は、送信中間周波数に変調される。

2) 送信電圧制御発振器 (TX-VCO)：構造：送信電圧制御発振器は、出力周波数が電圧によって制御される容量性3点発振回路であり、製造時に小型回路基板に集積され、5つのピンに引き出されます。電源ピン、グランドピン、出力ピン、制御ピン、900M/1800M周波数帯切り替えピン。適切な動作電圧が印加されると、発振して対応する周波数信号を生成する。

効果：IF変調器によって変調された送信IF信号を、基地局が受信できる890M～915M（GSM）周波数信号に変換する。

原理：周知のとおり、基地局は890M～915M（GSM）の周波数信号しか受信できませんが、IF変調器で変調されたIF信号（例えば、Samsungが送信する135MのIF信号）は受信できません。そのため、送信されたIF信号の周波数を890M～915M（GSM）の周波数信号に変換するために、TX-VCOが使用されます。

送信時には、電源部から3VTXの電圧が出力され、TX-VCOが動作し、890M～915M（GSM）の周波数信号を2つの方法で生成します。
a) サンプルは内部IFに送り返され、局部発振器信号と混合されて送信中間周波数に等しい送信周波数弁別信号が生成され、位相検出器に送られて送信中間周波数と比較されます。TX-VCOの発振周波数が携帯電話の動作チャネルと一致しない場合、位相検出器は1～4Vのジャンプ電圧（AC送信情報を含むDC電圧）を生成し、TX-VCO内部のバラクタダイオードの容量を制御して周波数精度を調整します。

b) 電力増幅器で増幅された後、電磁波に変換され、アンテナから放射される。
上記から次のことがわかります。TX-VCOによって生成された周波数はサンプリングされ、IFに送り返されます。そして、生成された電圧によってTX-VCOの動作が制御されます。これは閉ループを形成し、周波数位相を制御するため、この回路は送信位相同期ループ回路とも呼ばれます。

3) パワーアンプ（電力増幅器）：
構造：現在、携帯電話のパワーアンプはデュアルバンドパワーアンプ（900MHzパワーアンプと1800MHzパワーアンプが一体化したもの）であり、ビニール製パワーアンプと鉄製ケースのパワーアンプの2種類に分けられます。異なるモデルのパワーアンプは互換性がありません。

効果：TX-VCOによって発振された周波数信号を増幅して十分な電力電流を得て、それをアンテナで電磁波に変換して放射する。

注目に値する：電力増幅器は、送信される周波数信号の周波数ではなく、振幅を増幅する。

パワーアンプの動作条件：
a) 動作電圧 (VCC)：携帯電話用アンプはバッテリー（3.6V）から直接給電されます。
b)、接地端子（GND）：電流がループを形成する原因となる。
c) 二周波電力変換信号（BANDSEL）：パワーアンプを900MHzまたは1800MHzで動作するように制御します。
d) 電力制御信号（PAC）：パワーアンプの増幅量（動作電流）を制御する。
e)、入力信号（IN）、出力信号（OUT）。

4) 送電用変圧器：構造：線径と巻数が等しい2つのコイルを互いに近づけて配置し、相互インダクタンスの原理を利用して構成する。効果：パワーアンプの送信電力電流サンプルをパワーコントローラに送信する。原理：送信時に電力増幅器の送信電力電流が送信トランスを通過すると、その二次側に電力電流と同サイズの電流が誘導され、それが検出（高周波整流）されて電力制御部に送られる。

5) 電力レベル信号:いわゆる電力レベルとは、携帯電話のプログラミング時にエンジニアが受信信号を8つのレベルに分割することを意味します。各受信レベルは送信電力レベルに対応しています（下表参照）。携帯電話が動作しているとき、CPUは受信信号の強度に基づいて携帯電話と基地局間の距離を判断し、適切な送信レベル信号を送信して電力増幅器の増幅量を決定します（つまり、受信が強いときは送信が弱くなります）。

電力レベル表を添付します。

6) 電源コントローラ（電源制御）：構造：これは演算比較増幅器である。
効果：送信電力電流サンプリング信号と電力レベル信号を比較して、電力増幅器の増幅量を制御するための適切な電圧信号を取得する。

原理：送電中に電力電流が送電トランスを通過する際、その二次側に誘起される電流が検出され（高周波整流）、電力制御部に送られます。同時に、プログラミング時に設定された電力レベル信号も電力制御部に送られます。これら2つの信号は内部で比較され、電力増幅器の増幅量を制御する電圧信号が生成されます。これにより、電力増幅器の動作電流が適度に保たれ、電力消費を抑えるだけでなく、電力増幅器の寿命も延びます（電力制御電圧が高いほど、電力増幅器の出力は大きくなります）。

3. 信号伝送プロセス
送信時には、論理回路によって処理された送信ベースバンド情報（TXI-P、TXI-N、TXQ-P、TXQ-N）が中間周波数内の送信変調器に送られ、局部発振器信号によって送信中間周波数に変調される。中間周波数信号基地局がそれを受信できない場合、基地局がそれを受信できるように、TX-VCOを使用して送信される中間周波数信号の周波数を890M～915M（GSM）に上げる必要があります。TX-VCOが動作している場合、890M～915M（GSM）から生成された周波数信号は、次の2つの経路を通ります。

a) サンプリングされた1つのチャンネルは内部IFに送り返され、局部発振器信号と混合されて送信中間周波数に等しい送信周波数弁別信号が生成され、位相検出器に送られて送信中間周波数と比較されます。TX-VCOの発振周波数が携帯電話の動作チャンネルと一致しない場合、位相検出器は1～4Vのジャンプ電圧を生成し、TX-VCO内部のバラクタダイオードの容量を制御して周波数を調整します。
b) 双方向入力電力増幅器は、アンテナによって増幅され、放射用の電磁波に変換される。電力増幅器の増幅量を制御するために、送信中に電力電流が送信トランスを通過する際に、その二次側に誘起される電流を検出（高周波整流）して電力制御部に送ります。同時に、プログラミング時に設定された電力レベル信号も電力制御部に送ります。これら2つの信号を内部で比較して電圧信号を生成し、電力増幅器の増幅量を制御することで、電力増幅器の動作電流を適度に保ち、電力消費を抑えるだけでなく、電力増幅器の寿命を延ばします。

国内RFチップ産業チェーンの現状
無線周波数チップの分野では、市場は主に海外の大手企業によって独占されている。一方、国内の無線周波数チップに関しては、IDM（統合設計製造）事業モデルを単独で支えられる企業は存在せず、主にファブレス設計会社が中心となっている。国内企業は、設計、ファウンドリ、パッケージングにおける協業を通じて、「ソフトIDM」事業モデルを構築している。

無線周波数チップの設計に関して言えば、国内企業は5Gチップで成果を上げており、一定の出荷能力を有している。RFチップの設計は敷居が高い。RF開発の経験を積むことで、後続のハイエンドRFチップの開発を加速させることができる。

RFチップのパッケージングに関して言えば、一方では、5G RFチップの周波数が高くなるため、回路内の接続線が回路性能に与える影響が大きくなります。パッケージング時には、信号接続線の長さを短縮する必要があり、他方では、パワーアンプ、低雑音アンプ、スイッチ、フィルタをモジュールに統合する必要があります。これにより、サイズを縮小できるだけでなく、下流の端末メーカーにとっても使いやすくなります。RFパラメータの寄生要素を低減するためには、フリップチップ、ファンイン、ファンアウトといったパッケージング技術を用いる必要がある。

フリップチップをファンイン・ファンアウトプロセスでパッケージングする場合、金ワイヤボンディングによる信号接続が不要になるため、金ワイヤボンディングによる寄生電気効果が低減され、チップのRF性能が向上します。5G時代においては、高性能なフリップチップ／ファンイン／ファンアウトとSIPパッケージング技術の組み合わせが、今後のパッケージングのトレンドとなるでしょう。

フリップチップ／ファンイン／ファンアウトおよびSIPパッケージは先進的なパッケージであり、従来のパッケージよりも収益性がはるかに高い。国内上場企業は、フリップチップ＋シップ技術を用いたパッケージング能力を完全に確立している。

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