Zrozumieć czarną technologię częstotliwości radiowej 5G w jednym artykule: złożoność jest przerażająca, porównywalna z pasmem podstawowym

Telefony komórkowe, jako standard w erze mobilnego internetu, wkroczyły w życie każdego z nas. Dzięki nim możemy rozmawiać, robić zakupy, oglądać programy telewizyjne do woli i cieszyć się wspaniałym życiem.

Ponieważ telefony komórkowe są tak ważne, ludzie przywiązują dużą wagę do rozwoju powiązanych z nimi technologii. Za każdym razem, gdy pojawia się nowy produkt, media publikują obszerne doniesienia, a na portalach społecznościowych toczą się również ożywione dyskusje.

Jednak uwaga ludzi w telefonach komórkowych często koncentruje się na procesorze, karcie graficznej, paśmie podstawowym, ekranie i aparacie. Istnieje pewien element, który jest niezwykle ważny w telefonach komórkowych, ale niewiele osób zwraca na niego uwagę.

Which part is it? Yes, it is the protagonist of our article today - radio frequency.

▉co to jest częstotliwość radiowa

Częstotliwość radiowa, po angielsku Radio Frequency, to potocznie RF. Dosłownie Radio Frequency oznacza częstotliwość radiową. Sygnały częstotliwości radiowej odnoszą się konkretnie do fal elektromagnetycznych o częstotliwości 300 kHz–300 GHz.

Jak wszyscy wiemy, komunikacja telefonów komórkowych ze stacjami bazowymi opiera się na wzajemnym wysyłaniu i odbieraniu fal elektromagnetycznych.

Zestaw obwodów, układów scalonych, komponentów itp. w telefonie komórkowym, których zadaniem jest wysyłanie i odbieranie fal elektromagnetycznych, nazywany jest zbiorczo systemem częstotliwości radiowych lub w skrócie „częstotliwością radiową” (poniżej).

Częstotliwość radiowa i pasmo podstawowe stanowią fundamenty funkcji komunikacji telefonii komórkowej. Jeśli komunikację między telefonem komórkowym a światem zewnętrznym potraktujemy jako „usługę ekspresową”, to zadaniem pasma podstawowego jest „pakowanie/rozpakowywanie” danych. Zadaniem częstotliwości radiowej jest przesyłanie/odbieranie „pakietów” za pośrednictwem wyznaczonego pasma częstotliwości radiowych.

Schemat ideowy: pasmo podstawowe po lewej i RF po prawej

Jak wygląda częstotliwość radiowa? Poniższy rysunek przedstawia przedni i tylny układ głównej płytki drukowanej pewnej marki telefonu komórkowego.

（图片来自ABI Research）

Na zdjęciu wszystkie elementy zaznaczone na żółto należą do częstotliwości radiowych. Widać, że komponenty częstotliwości radiowej stanowią znaczną część struktury telefonów komórkowych.

Z architektonicznego punktu widzenia, kompletny system radiowy składa się z trzech części: nadajnika-odbiornika radiowego, modułu radiowego i anteny. Moduł radiowy zawiera również wiele komponentów, takich jak wzmacniacze mocy, układy śledzenia obwiedni, wzmacniacze niskoszumowe, filtry, przełączniki antenowe i tunery antenowe.

Architektura RF

Funkcje każdego komponentu front-endu RF nie są skomplikowane. Na przykład, wzmacniacz ma wzmacniać sygnał, aby można go było przesyłać na większą odległość; filtr ma usuwać zakłócenia i czynić sygnał bardziej „czystym”; przełącznik antenowy służy do sterowania otwieraniem i zamykaniem anteny; główną funkcją tunera antenowego jest „bawienie się” anteną w celu uzyskania najlepszego efektu transceivera…

Duża liczba elementów częstotliwości radiowej współpracuje ze sobą i wspólnie pracują nad wykonaniem „ostatniego kroku” i przesłaniem danych spakowanych przez pasmo podstawowe „biu~biu~biu~”.

Jeśli projekt częstotliwości radiowej jest nieracjonalny, a wydajność podzespołów spada, będzie to miało bezpośredni wpływ na możliwości bezprzewodowego wysyłania i odbierania sygnału telefonu komórkowego, a tym samym na możliwości komunikacyjne telefonu. Konkretnymi objawami są słaby sygnał bezprzewodowy, krótki zasięg komunikacji, niska prędkość sieci itp.

Innymi słowy, jeśli możliwości radiowe telefonu komórkowego nie są dobre, jest on jak samochód z niedostateczną mocą. Niezależnie od tego, jak zaawansowane są inne funkcje, telefon nie zostanie zaakceptowany przez użytkowników.

Dlatego też producenci telefonów komórkowych, projektując i opracowując telefony komórkowe, zazwyczaj wkładają wiele wysiłku w częstotliwość radiową, wielokrotnie rozważają i przeprowadzają testy i weryfikacje zanim odważą się wypuścić produkt końcowy.

▉Wyzwania związane z częstotliwością radiową 5G

Dziś wkraczamy w erę 5G z podniesionymi głowami. Czy w porównaniu z tradycyjną siecią 4G zaszły jakieś zmiany w systemie częstotliwości radiowych 5G?

Odpowiedź brzmi: tak. Nie dość, że nastąpiła zmiana, to jest to radykalna zmiana.

W porównaniu z 4G, 5G znacznie poprawiło swoje wskaźniki wydajności. Scenariusz eMBB (rozszerzonego mobilnego internetu szerokopasmowego) w 5G zwiększa prędkość telefonii komórkowej do poziomu gigabitów, a nawet 10 gigabitów, co stanowi odpowiednio 10-/100-krotność wczesnej prędkości LTE (100 Mb/s).

2G/3G/4G, plus 5G, plus MIMO (multi-antenna technology), plus dual-SIM dual-standby, double the number of antennas and supported frequency bands of mobile phones. In the early days of 4G, there were less than 20 frequency band combinations. In contrast,5G ma ponad 10 000 kombinacji pasm częstotliwości, złożoność jest przerażająca.

Jednocześnie, aby zapewnić, że użytkownicy będą skłonni do modernizacji (tāo) (qián), nie można zwiększyć grubości i wagi telefonów komórkowych 5G, zwiększyć poboru mocy ani skrócić czasu czuwania.

Gdybyś był producentem telefonów komórkowych, czy zwariowałbyś?

Dlatego częstotliwość radiowa telefonów komórkowych 5G musi się zreformować i energicznie tworzyć cuda i innowacje.

Jak rozwiązać problemy projektowe systemu częstotliwości radiowej? Qualcomm zaproponował koncepcję makro i bezpośrednio dostarczył „kompletny modem i system częstotliwości radiowej”. Powszechne rozumienie oznacza, że ​​pasmo podstawowe, nadajnik-odbiornik RF, front-end RF, moduł antenowy, struktura oprogramowania itp. są już gotowe, a producent otrzymuje kompletne rozwiązanie.

Innymi słowy, koncepcja projektowania podzespołów terminali, takich jak telefony komórkowe 5G, musi porzucić dotychczasową ideę „kupowania konia na rynku wschodnim, siodła na rynku zachodnim, uzdy na rynku południowym i bata na rynku północnym” i skupić się na poszczególnych podzespołach, a zamiast tego przyjąć zintegrowane rozwiązanie na poziomie systemowym, jakim jest „projektowanie pakietów”.

Na przykład, w przeszłości fabryka A ​​tworzyła pasmo podstawowe, fabryka B zajmowała się częstotliwościami radiowymi, fabryka C anteną, a następnie fabryka D telefonów komórkowych opracowała sposób ich integracji i połączenia. Obecnie potężni producenci bezpośrednio projektują i pakują pasmo podstawowe, częstotliwość radiową i antenę itd., a następnie przekazują je producentom telefonów komórkowych, aby mogli z nich szybko korzystać.

Integracja na poziomie systemowym jest nieuniknionym rezultatem znacznego wzrostu złożoności pasma podstawowego 5G i częstotliwości radiowej.

To jak z pociągiem. W przeszłości prędkość zielonych, skórzanych wagonów była niska, a wagon i przód wagonu mogły być projektowane i produkowane oddzielnie, a następnie połączone. Jednak w dobie kolei dużych prędkości wskaźniki prędkości podwoiły się. Jeśli będą one nadal projektowane i produkowane oddzielnie, wagony i lokomotywa nie będą mogły być ściśle skoordynowane. Nie tylko trudno będzie osiągnąć wskaźniki prędkości, ale mogą również pojawić się problemy z bezpieczeństwem.

Dlatego też zespoły trakcyjne kolei dużych prędkości są zazwyczaj projektowane i produkowane w ujednolicony sposób.

Innymi słowy, w obliczu wspomnianych wyżej trudnych wskaźników 5G, konieczne jest przeprowadzenie kompleksowego projektu pasma podstawowego i częstotliwości radiowej z perspektywy integracji na poziomie systemowym. W ten sposób możliwe będzie osiągnięcie idealnej synergii oprogramowania i sprzętu oraz osiągnięcie optymalnej wydajności (przepustowości, zasięgu itp.).

In addition to achieving the indicators, the integrated design also helps reduce the final size of the system and reduces the space occupied by the mobile phone. For system power consumption and heat dissipation control, integrated design also has obvious advantages.

Wreszcie, co nie mniej ważne, dostarczanie rozwiązań integracji na poziomie systemowym może zmniejszyć trudności projektowe, z jakimi borykają się producenci telefonów komórkowych, umożliwiając im szybsze wprowadzanie produktów na rynek i przejmowanie nad nim kontroli.

▉Czarna technologia częstotliwości radiowej 5G

Przyjrzyjmy się bliżej ciekawym, czarnym technologiom zintegrowanego na poziomie systemowym radia 5G.

Pierwszą czarną technologią jest szerokopasmowe śledzenie obwiedni.

When I introduced the radio frequency architecture earlier, there was a power tracker in it. Power trackers are used with power amplifiers.

Wzmacniacz mocy jest kluczowym elementem częstotliwości radiowej. Działa jak głośnik, zamieniając ciche dźwięki (sygnały) na głośne dźwięki (sygnały).

Jeśli chcesz zadąć w trąbkę, zdecydowanie musisz się napracować (zasilanie). Funkcją trackera mocy jest kontrola intensywności (mocy) trąbki.

Tradycyjną metodą dmuchania jest metoda APT, czyli śledzenie średniej mocy. W określonym czasie siła dmuchania pozostaje stała.

And wideband envelope tracking (ET) technology allows precise control of power. In other words, the baseband (modem) can control the envelope tracker in the radio frequency according to changes in the signal, thereby accurately controlling the transmission power of the wireless signal.

Marnowanie energii podczas śledzenia obwiedni jest znacznie mniejsze niż w przypadku tradycyjnego śledzenia średniej mocy.

(Grafika firmy Qualcomm)

Dzięki temu można w dużym stopniu zaoszczędzić siłę fizyczną (energię), zmniejszyć zużycie energii o częstotliwości radiowej i wydłużyć czas czuwania telefonu komórkowego.

Precyzyjna kontrola mocy transmisji pomaga telefonom komórkowym uzyskać najwyższą wydajność transmisji sygnału, a tym samym lepszą jakość kanału. Podczas procesu „komunikacji dwukierunkowej” między telefonem komórkowym a stacją bazową, gdy telefon komórkowy uzyskuje lepszą jakość kanału, stacja bazowa może wspierać telefon komórkowy w celu zapewnienia lepszych usług łącza w górę i w dół, takich jak obsługa 2×2 MIMO, a prędkość sieci jest płynniejsza. Ponadto, lepsza jakość kanału stwarza również warunki dla stacji bazowej do przydzielania telefonom komórkowym metod modulacji wyższego rzędu (takich jak 256QAM), co może poprawić przepustowość telefonu komórkowego i zapewnić szybszą i lepszą transmisję danych.

Kilka generacji modemów Snapdragon 5G i zintegrowanych z systemem RF szerokopasmowych trackerów obwiedni sygnału, wprowadzonych wcześniej przez Qualcomm, już wykorzystało powyższą technologię. Najnowszy tracker obwiedni sygnału szerokopasmowego, QET7100, charakteryzuje się o 30% lepszą efektywnością energetyczną w porównaniu z najbardziej zaawansowanymi produktami innych producentów oferowanymi obecnie na rynku.

The second black technology we introduced is AI-assisted signal enhancement technology.

Ta technologia to najnowsza technologia wprowadzona w modemie Snapdragon X65 5G i systemie częstotliwości radiowej, który zadebiutował w lutym. To również pierwszy raz w branży, gdy technologia AI została wprowadzona do systemu częstotliwości radiowej telefonów komórkowych w celu wzmocnienia sygnału.

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.

Przyjrzyjmy się najpierw dopasowaniu impedancji.

The so-called impedance matching can be understood as a kind of "water pipe" work.

Połączenie między elementami systemu RF a anteną przypomina połączenie dwóch rur wodociągowych. Gdy impedancje są stałe, ich położenia idealnie się zgadzają. W tym momencie przepływ wody jest największy, a wydajność sygnału najwyższa. Jeśli impedancja elementu ulegnie przesunięciu, rura wodociągowa będzie krzywa, przepływ wody będzie niewielki, a część przepływu wody zostanie zmarnowana.

Istnieje wiele powodów zmian impedancji, takich jak dotknięcie dłonią, podłączanie linii danych, zakładanie etui na telefon komórkowy itp. Nawet różne gesty trzymania (lewa ręka, prawa ręka, jedna ręka, dwie ręce) będą powodować różne impedancje.

Tradycyjna metoda dopasowania impedancji polega na testowaniu różnych przyczyn zmian impedancji w laboratorium w celu znalezienia wartości charakterystycznych anteny, a następnie sterowaniu składowymi częstotliwości radiowej za pomocą modemu w celu dostosowania impedancji tak, aby rura odbiorcza wody była w jak największym stopniu wyrównana z rurą doprowadzającą wodę.

Technologia wzmacniania sygnału wspomagana sztuczną inteligencją wykorzystuje algorytmy sztucznej inteligencji do przeprowadzania analizy dużych zbiorów danych i uczenia maszynowego w zakresie wartości charakterystycznych anteny, wynikających z różnych zmian impedancji, w celu inteligentnego dostosowania impedancji i uzyskania jak najlepszego efektu dopasowania.

To put it bluntly, it is a bit like installing a butt hose between the water supply pipe and the water receiving pipe to prevent the water flow from being wasted as much as possible.

Wzmocnienie sygnału wspomagane przez sztuczną inteligencję jest równoważne z dokowaniem węża pomiędzy częstotliwością radiową a anteną

Strojenie apertury jest stosunkowo proste, polega jedynie na wyregulowaniu długości elektrycznej anteny.

Z punktu widzenia radiologicznego idealna długość anteny wynosiłaby jedną czwartą długości fali. Dzisiejsze telefony komórkowe, ze względu na pełną sieć Netcom, obsługę dwóch kart SIM i tryb dual-standby oraz inne czynniki, dynamicznie zmieniają częstotliwość pracy systemu komunikacji mobilnej. Na przykład, czasami działa ona na częstotliwości 2.6 GHz, a czasami na 3.5 GHz.

Zmiana częstotliwości roboczej oznacza również zmianę optymalnej długości fali. Dlatego konieczne jest dostrojenie apertury anteny, dostosowanie jej długości i wydłużenie szczytu fali, aby uzyskać najlepszy efekt.

Ogólnie rzecz biorąc, główną funkcją technologii strojenia anten opartej na dopasowaniu impedancji i strojeniu apertury jest przezwyciężenie wpływu środowiska zewnętrznego na sygnał anteny, dynamiczna regulacja sygnału i poprawa wrażeń użytkownika.

Zgodnie z rzeczywistymi weryfikacjami, dzięki technologii wzmacniania sygnału wspomaganej sztuczną inteligencją, dokładność systemu w zakresie świadomości sytuacyjnej może wzrosnąć o 30%, co może znacząco zmniejszyć liczbę zerwanych połączeń i poprawić prędkość, zasięg i czas pracy baterii.

▉Wniosek

Istnieje wiele innowacyjnych technologii „czarnych” dla systemów częstotliwości radiowych 5G, takich jak optymalizacja wielonośnikowa, dostrajanie separujące, ulepszona współbieżność wielu kart SIM itp. Wszystkie te technologie są rezultatem innowacji technologicznych. Skondensowały one wiedzę inżynierów i położyły podwaliny pod sprawne uruchomienie terminali 5G.

Dzisiejsza częstotliwość radiowa 5G nie pełni już funkcji pomocniczej dla pasma podstawowego, lecz jest ważnym elementem telefonu komórkowego, który może być traktowany na równi z pasmem podstawowym i wzajemnie się uzupełniać.

With the continuous deepening of 5G network construction, in addition to mobile phone communications, more and more 5G vertical industry application scenarios have begun to come into being. The forms of 5G terminals will become diverse, and a greater test will be placed in front of the 5G radio frequency front-end.

Jakie nowe sztuczki pokaże do tego czasu sieć radiowa 5G? Poczekajmy i zobaczmy!

Ten artykuł pochodzi z „Świat inżynierii elektronicznej”, jeśli stwierdzisz jakiekolwiek naruszenie lub inny problem, skontaktuj się z nami w celu usunięcia treści.W celu wsparcia ochrony praw własności intelektualnej prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przy przedruku.