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무선 주파수 칩에 관해서는 이 기사면 충분합니다!
2021-12-28
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통화, 문자 메시지, 네트워크 서비스 및 앱 애플리케이션을 지원하는 휴대폰은 일반적으로 다섯 부분으로 구성됩니다.RF, 베이스밴드, 전원 관리, 주변 장치, 소프트웨어.
RF :일반적으로 정보가 송수신되는 부분;
베이스밴드:일반적으로 이는 정보 처리 부분입니다.
전원 관리:일반적으로 이는 전력 절약 부분과 관련이 있습니다. 휴대폰은 에너지가 제한된 기기이기 때문에 전력 관리가 매우 중요합니다.주변 장치 :일반적으로 LCD, 키보드, 케이스 등이 포함됩니다.소프트웨어 :일반적으로 시스템, 드라이버, 미들웨어 및 애플리케이션을 포함합니다.
휴대폰 단말기에서 가장 중요한 핵심 부품은 무선 주파수 칩과 기저대역 칩입니다.무선 주파수 칩은 무선 주파수 송수신, 주파수 합성 및 전력 증폭을 담당하고, 기저대역 칩은 신호 처리 및 프로토콜 처리를 담당합니다.그렇다면 RF 칩과 베이스밴드 칩 사이에는 어떤 관계가 있을까요?
RF 칩과 베이스밴드 칩 간의 관계
Radio frequency (Radio Frenquency) and baseband (Base Band) are both literal translations from English.그중에서도 무선 주파수의 가장 초기 응용 사례는 라디오, 즉 FM/AM 방송입니다. 지금까지도 이는 무선 주파수 기술, 나아가 라디오 분야에서 가장 고전적인 응용 사례로 남아 있습니다.
기저대역은 대역 중심점이 0Hz인 신호이므로 가장 기본적인 신호입니다.일부 사람들은 기저대역 신호를 "비변조 신호"라고 부르기도 합니다. 이 개념은 과거에는 옳았습니다. 예를 들어, AM은 변조 신호입니다(변조가 필요하지 않으며, 수신 후 송신 소자를 통해 내용을 읽을 수 있습니다).
하지만 현대 통신 분야에서 기저대역 신호는 일반적으로 스펙트럼의 중심점이 0Hz인 디지털 변조 신호를 의미합니다.베이스밴드가 아날로그 방식이어야 하는지 디지털 방식이어야 하는지에 대한 명확한 개념은 없습니다. 모든 것은 구체적인 구현 방식에 따라 달라집니다.
좀 더 구체적으로 말하자면, 베이스밴드 칩은 모뎀을 포함하는 것으로 볼 수 있지만, 모뎀에만 국한된 것은 아니고 채널 코덱, 소스 코덱 및 일부 신호 처리 기능도 포함합니다.무선 주파수 칩은 기저대역 변조 신호의 상향 변환 및 하향 변환을 위한 가장 간단한 장치로 볼 수 있습니다.
변조란 전송될 신호를 특정 규칙에 따라 반송파에 변조한 후 무선 송수신기(RF 송수신기)를 통해 송신하는 과정입니다. 복조는 이 과정의 반대입니다.
작동 원리 및 회로 분석
무선 주파수(RF)는 고주파 교류 전자기파를 가리키는 말입니다. 이는 무선 주파수의 약자로, 공간으로 방출될 수 있는 전자기 주파수를 나타냅니다. 주파수 범위는 300kHz에서 300GHz 사이입니다.초당 1,000회 미만의 주파수 변화를 갖는 교류를 저주파 전류라고 하고, 초당 10,000회 이상의 주파수 변화를 갖는 교류를 고주파 전류라고 하며, 무선 주파수는 이러한 고주파 전류의 한 종류입니다.고주파(10kHz 이상); 무선 주파수(300kHz~300GHz)는 고주파 대역 중에서도 높은 주파수 대역이며, 마이크로파 주파수 대역(300MHz~300GHz)은 무선 주파수 대역 중에서도 높은 주파수 대역입니다.무선 주파수 기술은 무선 통신 분야에서 널리 사용되며, 케이블 TV 시스템 또한 무선 주파수 전송 방식을 사용합니다.
무선 주파수 칩은 무선 신호 통신을 특정 무선 신호 파형으로 변환하여 안테나 공진을 통해 송신하는 전자 부품을 말합니다. 여기에는 전력 증폭기, 저잡음 증폭기 및 안테나 스위치가 포함됩니다.무선 주파수 칩 아키텍처는 수신 채널과 송신 채널의 두 부분으로 구성됩니다.
RF 회로 블록 다이어그램
수신 회로의 구조 및 작동 원리
수신 시 안테나는 기지국에서 송신된 전자기파를 약한 교류 전류 신호로 변환하고, 이 신호를 필터링하고 고주파로 증폭한 후 중간 주파수로 보내 복조하여 수신된 기저대역 정보(RXI-P, RXI-N, RXQ-P, RXQ-N)를 얻습니다. 이렇게 얻은 정보는 추가 처리를 위해 논리 오디오 회로로 전송됩니다.
이 회로는 핵심 사항을 완벽하게 구현합니다.
1. 수신기 회로 구조;
2. 각 구성 요소의 기능 및 작동 방식;
3. 수신 신호 처리.
회로 구조
수신 회로는 안테나, 안테나 스위치, 필터, 고출력 진공관(저잡음 증폭기), 중간 주파수 집적 회로(수신 복조기) 및 기타 회로로 구성됩니다.초기 휴대전화에는 수신 주파수를 낮춘 다음 복조하는 역할을 하는 1차 및 2차 혼합 회로가 있었습니다(아래 그림 참조).
수신기 회로 블록 다이어그램
2. 각 구성 요소의 기능 및 역할
1) 휴대폰 안테나:구조:(아래 사진)휴대전화 안테나는 외장형 안테나와 내장형 안테나 두 종류로 나뉘며, 안테나 베이스, 솔레노이드 및 플라스틱 외피로 구성됩니다.
a) 수신 시, 기지국에서 송신된 전자기파는 약한 교류 전류 신호로 변환됩니다.
b) 송신 시, 전력 증폭기에 의해 증폭된 교류 전류는 전자기파 신호로 변환됩니다.
2) 안테나 스위치:
구조:(아래 사진)휴대전화 안테나 스위치(결합기, 이중 필터)는 4개의 전자 스위치로 구성됩니다.
수신 및 송신 전환 완료
900M/1800M 신호 수신 전환이 완벽하게 이루어집니다.
논리 회로는 휴대전화의 작동 상태에 따라 각각 제어 신호(GSM-RX-EN, DCS-RX-EN, GSM-TX-EN, DCS-TX-EN)를 출력하여 해당 채널을 활성화함으로써 수신 및 송신 신호가 서로 간섭 없이 각자의 경로로 전송되도록 합니다.
휴대전화는 수신과 송신을 동시에 같은 시간대에 수행할 수 없기 때문입니다 (즉, 수신 중에는 송신하지 않고, 송신 중에는 수신하지 않습니다).따라서 이후에 나온 새로운 휴대폰들은 수신 경로의 스위치 두 개를 제거하고 송신 스위치 두 개만 남겨두었으며, 수신 스위칭 작업은 고증폭관이 담당하게 되었습니다.
3) 필터:
구조:휴대폰에는 고주파 필터와 중주파 필터가 있습니다.효과:다른 불필요한 신호를 걸러내고 순수한 수신 신호를 얻으십시오.최근에 출시된 새로운 휴대폰들은 모두 제로 IF 휴대폰입니다. 따라서 휴대폰에는 IF 필터가 없습니다.
4) 고출력 증폭기 튜브(고주파 증폭기 튜브, 저잡음 증폭기):
구조:
휴대폰에는 고증폭관이 두 개 있습니다.900m 높이의 방전관, 1800m 높이의 방전관.이것들은 모두 3극관 공통 이미터 증폭기 회로이며, 최근에 나온 새로운 휴대폰들은 중간 주파수 대역에 고증폭관을 내장하고 있습니다.
고주파 증폭기 진공관 전원 공급 회로도
안테나에 의해 유도되는 미약한 전류를 증폭하여 후속 회로의 신호 진폭 요구 사항을 충족시킵니다.
900M/1800M 수신 신호 전환이 완료되었습니다.
원리:
에 의해 구동 :900M/1800M 고증폭관 두 개의 베이스 바이어스 전압은 IF 동시 채널에서 제공되는 하나의 채널을 공유합니다. 두 진공관의 컬렉터 바이어스 전압은 휴대전화의 수신 상태에 따라 IF CPU에서 두 개의 채널로 출력됩니다. 이는 900M/1800M 수신 신호의 전환을 완료하기 위한 것입니다.
필터를 통해 다른 잡음을 제거한 후, 순수한 935M-960M 수신 신호는 커패시터를 통해 연결되어 해당 고증폭관으로 보내져 증폭된 다음, 커패시터 연결을 통해 중간 주파수로 보내져 후속 단계 처리가 이루어집니다.
5) IF(RF 인터페이스, RF 신호 처리기):
구조:수신 복조기, 송신 변조기, 송신 위상 검출기 등의 회로로 구성되어 있으며, 새로운 휴대폰에는 고증폭관, 주파수 합성기, 26M 발진기 및 주파수 분할 회로가 내장되어 있습니다(아래 그림 참조).
a) 내부의 고증폭관은 안테나에 의해 유도되는 약한 전류를 증폭합니다.
b) 수신 시, 수신된 반송파 주파수 신호(상대 정보 포함) 935M-960M(GSM)과 국부 발진기 신호(정보 없음)를 복조하여 수신된 기저대역 정보 67.707kHz를 얻습니다.
c) 송신 시, 논리 회로에서 처리된 송신 정보와 국부 발진기 신호를 송신 중간 주파수로 변조합니다.
d) 13M/26M 크리스털을 결합하여 13M 클록(기준 클록 회로)을 생성합니다.e) CPU에서 전송된 기준 신호를 기반으로, 휴대폰의 작동 채널에 맞는 국부 발진기 신호가 생성됩니다.
3. 수신 신호 처리
휴대전화가 수신할 때, 안테나는 기지국에서 송신된 전자기파를 약한 교류 전류 신호로 변환합니다. 이 신호는 안테나 스위치 수신 경로를 거쳐 고주파 필터로 보내져 불필요한 잡음을 제거하고 순수한 935MHz~960MHz(GSM) 수신 신호를 얻습니다. 이 신호는 콘덴서를 통해 중간 주파수로 변환됩니다. 해당 고증폭관을 통해 증폭된 후, 복조기로 보내져 국부 발진기 신호(정보 없음)를 복조하여 67.707kHz 수신 기저대역 정보(RXI-P, RXI-N, RXQ-P, RXQ-N)를 얻습니다. 이 정보는 추가 처리를 위해 오디오 로직 회로로 보내집니다.
송신기 회로의 구조 및 작동 원리
송신 시, 논리 회로에 의해 처리된 송신 기저대역 정보는 송신 중간 주파수로 변조되고, TX-VCO는 송신 중간 주파수 신호의 주파수를 890MHz~915MHz(GSM) 주파수 신호로 변환하는 데 사용됩니다.전력 증폭기를 통해 증폭된 후, 전자기파로 변환되어 안테나를 통해 방출됩니다.
이 회로는 핵심 사항을 완벽하게 구현합니다.
(1) 회로 구조;
(2) 각 구성 요소의 기능 및 작용
(3) 신호 전송 과정.
회로 구조
송신 회로는 송신 변조기, 송신 위상 검출기, 송신 전압 제어 발진기(TX-VCO), 전력 증폭기, 전력 제어기, 송신 변압기 및 기타 중간 주파수 회로로 구성됩니다.(아래 사진)
송신기 회로 블록 다이어그램
1) 송신 변조기:구조:송신 변조기는 IF 내부에 있으며, 이는 광대역 네트워크의 MOD에 해당합니다.효과:전송 중에는 논리 회로에서 처리된 전송 기저대역 정보(TXI-P, TXI-N, TXQ-P, TXQ-N)와 국부 발진기 신호가 변조되어 전송 중간 주파수가 됩니다.
2) 송신 전압 제어 발진기(TX-VCO):구조:송신 전압 제어 발진기는 출력 주파수가 전압에 의해 제어되는 정전 용량식 3점 발진 회로이며, 생산 과정에서 소형 회로 기판에 통합되어 5개의 핀으로 연결됩니다.전원 공급 핀, 접지 핀, 출력 핀, 제어 핀, 900M/1800M 주파수 대역 전환 핀.적절한 작동 전압이 가해지면 발진하여 해당 주파수의 신호를 생성합니다.
효과:IF 변조기에 의해 변조된 송신 IF 신호를 기지국이 수신할 수 있는 890M-915M(GSM) 주파수 신호로 변환합니다.
원리:잘 알려진 바와 같이, 기지국은 890MHz~915MHz(GSM) 주파수 대역의 신호만 수신할 수 있습니다. 하지만 기지국은 IF 변조기(예: 삼성에서 송신하는 135MHz IF 신호)에 의해 변조된 IF 신호는 수신할 수 없습니다. 따라서 송신되는 IF 신호의 주파수를 890MHz~915MHz(GSM) 주파수 대역으로 변환하기 위해 TX-VCO가 사용됩니다.
송신 시 전원 공급부는 3VTX 전압을 출력하여 TX-VCO를 작동시키고, 두 가지 방식으로 890M-915M(GSM) 주파수 신호를 생성합니다.
a) 샘플은 내부 IF로 되돌아가 국부 발진기 신호와 혼합되어 송신 중간 주파수와 동일한 송신 주파수 판별 신호를 생성하고, 이 신호는 위상 검출기로 보내져 송신 중간 주파수와 비교됩니다. TX-VCO의 발진 주파수가 휴대폰의 동작 채널과 일치하지 않으면, 위상 검출기는 1~4V의 점프 전압(송신 정보에 AC 전압을 더한 DC 전압)을 발생시켜 TX-VCO 내부의 가변 다이오드 용량을 제어함으로써 주파수 정확도를 조정합니다.
b) 전력 증폭기를 통해 증폭된 후, 전자기파로 변환되어 안테나를 통해 방출됩니다.
위에서 볼 수 있듯이:TX-VCO에서 생성된 주파수는 샘플링되어 IF로 다시 전송되고, 거기서 전압이 생성되어 TX-VCO의 동작을 제어합니다. 이렇게 폐쇄 루프가 형성되어 주파수 위상을 제어하므로 이 회로를 송신 위상 고정 루프 회로라고도 합니다.
3) 파워 앰프(power amplifier):
구조:현재 휴대폰의 전력 증폭기는 듀얼 밴드 전력 증폭기(900MHz 전력 증폭기와 1800MHz 전력 증폭기가 하나로 통합된 형태)이며, 비닐 전력 증폭기와 철 케이스 전력 증폭기 두 가지 유형으로 나뉩니다. 서로 다른 모델의 전력 증폭기는 호환되지 않습니다.
효과:TX-VCO에서 발진된 주파수 신호를 증폭하여 충분한 전력 전류를 얻고, 이 전류는 안테나를 통해 전자기파로 변환되어 방출됩니다.
가치가 없다:전력 증폭기는 전송되는 주파수 신호의 주파수가 아니라 진폭을 증폭합니다.
파워 앰프의 작동 조건:
a) 동작 전압(VCC):휴대폰 증폭기는 배터리(3.6V)에서 직접 전원을 공급받습니다.
b) 접지 단자(GND):전류가 고리를 형성하게 함;
c) 이중 주파수 전력 변환 신호(BANDSEL):전력 증폭기를 900M 또는 1800M에서 작동하도록 제어하십시오.
d) 전력 제어 신호(PAC):전력 증폭기의 증폭량(동작 전류)을 제어합니다.
예), 입력 신호(IN); 출력 신호(OUT).
4) 송전 변압기:구조:동일한 전선 직경과 권선 수를 가진 두 개의 코일이 서로 가까이 배치되어 상호 인덕턴스 원리를 이용하여 구성됩니다.효과:전력 증폭기의 송신 전력 전류 샘플을 전력 제어 장치로 보냅니다.원리:송신 중 전력 증폭기의 송신 전력 전류가 송신 변압기를 통과할 때, 전력 전류와 동일한 크기의 전류가 변압기 2차측에 유도되는데, 이 전류는 검출(고주파 정류)되어 전력 제어 장치로 전송됩니다.
5) 전력 레벨 신호:소위 전력 레벨이란 엔지니어들이 휴대전화를 프로그래밍할 때 수신 신호를 8단계로 나누는 것을 의미합니다. 각 수신 레벨은 송신 전력 레벨에 대응합니다(아래 표 참조). 휴대전화가 작동 중일 때, CPU는 수신 신호의 강도를 기반으로 휴대전화와 기지국 간의 거리를 판단하고, 적절한 송신 레벨의 신호를 전송하여 전력 증폭기의 증폭량을 결정합니다(즉, 수신이 강할 때는 송신이 약해집니다).
전력 레벨표를 첨부했습니다.
효과:송신 전력 전류 샘플링 신호와 전력 레벨 신호를 비교하여 전력 증폭기의 증폭량을 제어하는 데 적합한 전압 신호를 얻습니다.
원리:송전 중 전력 전류가 송전 변압기를 통과할 때, 변압기 2차측에 유도되는 전류를 검출(고주파 정류)하여 전력 제어 장치로 보냅니다. 동시에 프로그래밍 시 설정된 전력 레벨 신호도 전력 제어 장치로 전송됩니다. 이 두 신호는 내부적으로 비교되어 전력 증폭기의 증폭량을 제어하는 전압 신호를 생성합니다. 이를 통해 전력 증폭기의 동작 전류를 적절하게 유지함으로써 전력 소비를 절감하고 전력 증폭기의 수명을 연장할 수 있습니다. (전력 제어 전압이 높을수록 전력 증폭기의 출력은 커집니다.)
3. 신호 전송 과정
송신 시, 논리 회로에서 처리된 송신 기저대역 정보(TXI-P, TXI-N, TXQ-P, TXQ-N)는 중간 주파수 내의 송신 변조기로 전송되어 국부 발진기 신호와 변조되어 송신 중간 주파수로 변환됩니다.기지국이 중간 주파수 신호를 수신할 수 없는 경우, 기지국이 수신할 수 있도록 송신되는 중간 주파수 신호의 주파수를 890MHz~915MHz(GSM)로 높이기 위해 TX-VCO를 사용해야 합니다.TX-VCO가 작동 중일 때, 890MHz~915MHz(GSM)에서 생성된 주파수 신호는 두 가지 경로로 나뉩니다.
a) 샘플링된 신호의 한 채널은 내부 IF로 되돌아가 국부 발진기 신호와 혼합되어 송신 중간 주파수와 동일한 송신 주파수 판별 신호를 생성하고, 이 신호는 위상 검출기로 보내져 송신 중간 주파수와 비교됩니다. 만약 TX-VCO의 발진 주파수가 휴대폰의 동작 채널과 일치하지 않으면, 위상 검출기는 1~4V의 점프 전압을 발생시켜 TX-VCO 내부의 가변 다이오드 용량을 제어하여 주파수를 조정합니다.
b) 양방향 입력 전력 증폭기는 증폭되어 안테나를 통해 전자기파로 변환되어 방사됩니다.전력 증폭기의 증폭량을 제어하기 위해, 송신 중 전력 전류가 송신 변압기를 통과할 때 변압기 2차측에 유도되는 전류를 검출(고주파 정류)하여 전력 제어 장치로 보냅니다. 동시에 프로그래밍 시 설정된 전력 레벨 신호도 전력 제어 장치로 보냅니다. 이 두 신호를 내부적으로 비교하여 전압 신호를 생성하고, 이 신호를 통해 전력 증폭기의 증폭량을 제어합니다. 이를 통해 전력 증폭기의 동작 전류를 적정 수준으로 유지함으로써 전력 소비를 절감하고 수명을 연장할 수 있습니다.
국내 RF 칩 산업 공급망 현황
무선 주파수 칩 분야 시장은 주로 해외 대기업들이 독점하고 있습니다. 국내 무선 주파수 칩 시장에서는 자체적으로 IDM(통합 제조) 운영 모델을 지원할 수 있는 기업이 거의 없으며, 주로 팹리스 설계 회사들이 주도하고 있습니다. 국내 기업들은 설계, 파운드리, 패키징 분야에서 협력을 통해 '소프트 IDM' 운영 모델을 구축해 왔습니다.
RF 칩 패키징 측면에서 볼 때, 5G RF 칩의 주파수가 높아짐에 따라 회로 내 연결 배선이 회로 성능에 미치는 영향이 커집니다. 따라서 패키징 시 신호 연결 배선의 길이를 최소화해야 합니다. 또한, 전력 증폭기, 저잡음 증폭기, 스위치 및 필터를 모듈 형태로 패키징하는 것이 바람직합니다. 이는 크기를 줄이는 동시에 하위 단말기 제조업체의 사용 편의성을 높여줍니다.RF 파라미터의 기생 성분을 줄이기 위해서는 플립칩, 팬인, 팬아웃 패키징 기술을 사용해야 합니다.
플립칩을 팬인/팬아웃 공정으로 패키징하면 금선 본딩을 통한 신호 연결이 필요 없어 금선 본딩으로 인한 기생 전기적 영향을 줄이고 칩의 RF 성능을 향상시킬 수 있습니다. 5G 시대에는 고성능 플립칩/팬인/팬아웃과 SIP 패키징 기술의 결합이 미래 패키징 트렌드가 될 것입니다.
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