Entenda a tecnologia de radiofrequência 5G em um único artigo: a complexidade é assustadora, comparável à da banda base.

Os telefones celulares, como item padrão na era da internet móvel, entraram na vida de todos nós. Com eles, podemos conversar, fazer compras, assistir a programas de TV como quisermos e desfrutar de uma vida maravilhosa.

Devido à importância dos telefones celulares, as pessoas acompanham de perto o desenvolvimento de tecnologias relacionadas. Sempre que um novo produto é lançado, a mídia publica extensas reportagens e surgem discussões acaloradas nas redes sociais.

No entanto, a atenção das pessoas em relação aos celulares geralmente se concentra na CPU, GPU, banda base, tela e câmera. Existe um componente especial que é extremamente importante para os celulares, mas que poucas pessoas levam em consideração.

Que parte é essa? Sim, é a protagonista do nosso artigo de hoje: a radiofrequência.

▉O que é radiofrequência?

Radiofrequência, cujo nome em inglês é Radio Frequency, é a sigla conhecida como RF. Literalmente, Radiofrequência significa frequência de rádio. Os sinais de radiofrequência referem-se especificamente a ondas eletromagnéticas de rádio com uma faixa de frequência de 300 kHz a 300 GHz.

Como todos sabemos, o motivo pelo qual os telefones celulares conseguem se comunicar com as estações base é o envio e recebimento de ondas eletromagnéticas de rádio entre eles.

Um conjunto de circuitos, chips, componentes, etc., em um telefone celular, especificamente responsáveis ​​por enviar e receber ondas eletromagnéticas de rádio, é chamado coletivamente de sistema de radiofrequência, ou simplesmente "radiofrequência" (o mesmo se aplica abaixo).

A radiofrequência e a banda base são os pilares das funções de comunicação dos telefones celulares. Se considerarmos a comunicação entre o telefone celular e o mundo exterior como um "serviço expresso", a responsabilidade da banda base é "empacotar/desempacotar" os dados. A responsabilidade da radiofrequência é transmitir/receber "pacotes" através da faixa de radiofrequência designada.

Diagrama esquemático: Banda base à esquerda e RF à direita.

Qual é a aparência da radiofrequência? A imagem abaixo mostra o layout frontal e traseiro da placa de circuito principal de uma determinada marca de celular.

（图片来自ABI Research）

Na imagem, as partes circuladas em amarelo pertencem à radiofrequência. É possível observar que os componentes de radiofrequência ocupam uma grande proporção na estrutura dos telefones celulares.

Do ponto de vista arquitetônico, um sistema completo de radiofrequência inclui três partes: transceptor de radiofrequência, front-end de radiofrequência e antena. O front-end de RF também inclui diversos componentes, como amplificadores de potência, rastreadores de envelope, amplificadores de baixo ruído, filtros, chaves de antena e sintonizadores de antena.

Arquitetura de RF

As funções de cada componente do front-end de RF não são complicadas. Por exemplo, o amplificador serve para amplificar o sinal, permitindo que ele seja transmitido a distâncias maiores; o filtro remove interferências e torna o sinal mais "puro"; a chave de antena controla a abertura e o fechamento da antena; a principal função do sintonizador de antena é ajustar a antena para obter o melhor desempenho do transceptor...

Um grande número de componentes de radiofrequência cooperam entre si e trabalham juntos para completar a "etapa final" e transmitir os dados empacotados pela banda base "biu~biu~biu~".

Se o projeto de radiofrequência for inadequado e o desempenho dos componentes for insuficiente, isso afetará diretamente a capacidade de transmissão e recepção do sinal sem fio do celular, prejudicando, consequentemente, sua comunicação. Os sintomas específicos incluem sinal sem fio fraco, alcance de comunicação curto e baixa velocidade de rede.

Em outras palavras, se a capacidade de radiofrequência de um celular não for boa, é como um carro com potência insuficiente. Não importa quão sofisticadas sejam as outras funções, ele não será aceito pelos usuários.

Portanto, quando os fabricantes de telefones celulares desenvolvem e projetam esses aparelhos, geralmente dedicam muito esforço à radiofrequência, realizando repetidas deliberações, testes e verificações antes de lançar o produto final.

▉Desafios da radiofrequência 5G

Hoje, entramos na era do 5G com grande entusiasmo. Comparado ao 4G tradicional, existem mudanças no sistema de radiofrequência do 5G?

A resposta é sim. Não só há uma mudança, como é uma mudança radical.

Comparado ao 4G, o 5G melhorou significativamente seus indicadores de desempenho. O cenário eMBB (banda larga móvel aprimorada) do 5G aumenta as velocidades dos telefones celulares para níveis de Gigabit ou até mesmo 10 Gigabit, que são respectivamente 10 vezes/100 vezes a taxa inicial do LTE (100 Mbps).

2G/3G/4G, mais 5G, mais MIMO (tecnologia multiantena), mais dual-SIM dual-standby, o dobro do número de antenas e bandas de frequência suportadas pelos telefones celulares. Nos primórdios do 4G, havia menos de 20 combinações de bandas de frequência. Em contraste,O 5G possui mais de 10,000 combinações de bandas de frequência.A complexidade é assustadora.

Ao mesmo tempo, para garantir que os usuários estejam dispostos a atualizar (tāo) (qián), a espessura e o peso dos telefones celulares 5G não podem ser aumentados, o consumo de energia não pode ser aumentado e o tempo de espera não pode ser reduzido.

Se você fosse um fabricante de celulares, você enlouqueceria?

Portanto, a radiofrequência dos telefones celulares 5G precisa se reinventar e criar inovações e feitos extraordinários.

Como resolver os problemas de projeto de um sistema de radiofrequência? A Qualcomm propôs uma ideia abrangente e forneceu diretamente um "modem completo e sistema de radiofrequência". Em outras palavras, isso significa que a banda base, o transceptor de RF, o front-end de RF, o módulo de antena, a estrutura de software, etc., estão todos implementados e uma solução completa é fornecida ao fabricante.

Em outras palavras, o conceito de projetar componentes de terminais, como telefones celulares 5G, deve abandonar a ideia anterior de "comprar um cavalo no mercado oriental, uma sela no mercado ocidental, um freio no mercado meridional e um chicote no mercado setentrional", focando em componentes individuais, e, em vez disso, adotar uma solução integrada em nível de sistema de "design de pacote".

Por exemplo, antigamente, a Fábrica A produzia a banda base, a Fábrica B produzia o RF, a Fábrica C produzia a antena e, em seguida, a Fábrica D de celulares descobria como integrá-los e conectá-los. Hoje em dia, grandes fabricantes já projetam e encapsulam a banda base, o sinal de radiofrequência e a antena, etc., e os entregam diretamente aos fabricantes de celulares, para que possam ser utilizados rapidamente.

A integração em nível de sistema é o resultado inevitável do aumento substancial na complexidade da banda base e da radiofrequência do 5G.

É como um trem. No passado, a velocidade dos vagões de couro verde era baixa, e a carroceria e a locomotiva podiam ser projetadas e fabricadas separadamente, para depois funcionarem juntas. No entanto, na era dos trens de alta velocidade, os indicadores de velocidade dobraram. Se continuarem a ser projetados e fabricados separadamente, a carroceria e a locomotiva não poderão ser perfeitamente coordenadas. Não só será difícil atingir os indicadores de velocidade desejados, como também poderão surgir problemas de segurança.

Portanto, as unidades múltiplas elétricas (EMUs) de trens de alta velocidade são geralmente projetadas e fabricadas de maneira unificada.

Em outras palavras, diante dos rigorosos indicadores do 5G mencionados acima, é necessário realizar um projeto abrangente de banda base e radiofrequência a partir da perspectiva da integração em nível de sistema. Dessa forma, ambos podem alcançar uma sinergia perfeita entre software e hardware e obter o desempenho ideal (taxa de transferência, cobertura, etc.).

Além de atingir os indicadores, o design integrado também ajuda a reduzir o tamanho final do sistema e o espaço ocupado pelo celular. Para o controle do consumo de energia e da dissipação de calor do sistema, o design integrado também apresenta vantagens evidentes.

Por último, mas não menos importante, o fornecimento de soluções de integração em nível de sistema pode reduzir a dificuldade de projeto para os fabricantes de telefones celulares, permitindo que eles lancem produtos mais rapidamente e conquistem o mercado.

▉tecnologia preta de radiofrequência 5G

Vamos analisar mais de perto as interessantes tecnologias de ponta do sistema de rádio 5G integrado em nível de sistema.

Em primeiro lugar, a primeira tecnologia negra é o rastreamento de envelope de banda larga.

Quando apresentei a arquitetura de radiofrequência anteriormente, havia um rastreador de potência nela. Os rastreadores de potência são usados ​​com amplificadores de potência.

O amplificador de potência é o componente principal da radiofrequência. Ele funciona como um alto-falante, transformando sons (sinais) fracos em sons (sinais) mais altos.

Se você quer tocar trompete, com certeza precisa se esforçar bastante (fornecer energia). A função do controlador de potência é controlar a intensidade (potência) do som emitido pela trompete.

O método de sopro tradicional é o método APT, que consiste no rastreamento da potência média. Dentro de um determinado período de tempo, a força de sopro permanece constante.

E a tecnologia de rastreamento de envelope (ET) de banda larga permite o controle preciso da potência. Em outras palavras, a banda base (modem) pode controlar o rastreador de envelope na radiofrequência de acordo com as mudanças no sinal, controlando assim com precisão a potência de transmissão do sinal sem fio.

O consumo de energia desperdiçado no rastreamento de envelope é significativamente menor do que no rastreamento de potência média tradicional.

(Imagem da Qualcomm)

Dessa forma, economiza-se bastante energia física, reduz-se o consumo de energia por radiofrequência e aumenta-se o tempo de espera do celular.

O controle preciso da potência de transmissão ajuda os celulares a obterem a melhor eficiência de transmissão de sinal, resultando em melhor qualidade de canal. Durante o processo de comunicação bidirecional entre o celular e a estação base, quando o celular obtém melhor qualidade de canal, a estação base pode oferecer ao celular melhores serviços de uplink e downlink, como suporte a MIMO 2x2, e a velocidade da rede se torna mais estável. Além disso, uma melhor qualidade de canal também cria condições para que a estação base aloque métodos de modulação de ordem superior (como 256QAM) para os celulares, o que pode melhorar a taxa de transferência e oferecer serviços de transmissão de dados mais rápidos e eficientes.

Diversas gerações de modems Snapdragon 5G e rastreadores de envelope de banda larga integrados ao sistema de radiofrequência (RF) lançados anteriormente pela Qualcomm já adotaram a tecnologia acima. Seu rastreador de envelope de banda larga mais recente, o QET7100, apresenta uma melhoria de 30% na eficiência energética em comparação com os produtos mais avançados atualmente oferecidos por outros fabricantes no mercado.

A segunda tecnologia inovadora que apresentamos é a tecnologia de aprimoramento de sinal assistida por inteligência artificial.

Essa tecnologia é a mais recente novidade lançada no modem Snapdragon X65 5G e no sistema de radiofrequência, que foi lançado em fevereiro. É também a primeira vez na indústria que a tecnologia de inteligência artificial (IA) de ponta é introduzida no sistema de radiofrequência de um celular para aprimorar o sinal.

A essência da tecnologia de aprimoramento de sinal assistida por IA é a introdução da tecnologia de IA no sistema de sintonia de antenas. Existem dois métodos de sintonia de antenas: um é a adaptação de impedância e o outro é a sintonia de abertura.

Vamos começar analisando a adaptação de impedância.

O chamado casamento de impedância pode ser entendido como uma espécie de trabalho de "encanamento de água".

A conexão entre os componentes do sistema de RF e a antena é como a conexão entre dois canos de água. Quando as impedâncias são consistentes, as posições correspondem perfeitamente. Nesse momento, o fluxo de água é máximo e a eficiência do sinal é a mais alta. Se a impedância do componente mudar, o cano de água ficará torto, o fluxo de água será pequeno e parte da água será desperdiçada.

Existem muitos motivos para alterações na impedância, como o toque das mãos, a conexão de cabos de dados, a instalação de capas de celular, etc. Até mesmo diferentes gestos de segurar o aparelho (mão esquerda, mão direita, uma mão, duas mãos) podem gerar diferentes impedâncias.

O método tradicional de adaptação de impedância consiste em testar várias causas de alterações de impedância em laboratório para encontrar os valores característicos da antena e, em seguida, controlar os componentes de radiofrequência por meio do modem para ajustar a impedância de forma que o tubo de recepção de água esteja o mais alinhado possível com o tubo de alimentação de água.

A tecnologia de aprimoramento de sinal assistida por IA introduz algoritmos de IA para realizar análises de big data e aprendizado de máquina nos valores característicos da antena devido a várias mudanças de impedância, a fim de obter um ajuste inteligente da impedância e alcançar o efeito de adaptação mais perfeito.

Em termos simples, é um pouco como instalar uma espécie de "enfiador" entre o cano de abastecimento de água e o cano receptor para evitar ao máximo o desperdício de água.

O aprimoramento de sinal assistido por IA é equivalente à mangueira de acoplamento entre a radiofrequência e a antena.

O ajuste da abertura é relativamente simples, basta ajustar o comprimento elétrico da antena.

Do ponto de vista radiológico, o comprimento ideal de uma antena seria um quarto do comprimento de onda. Os telefones celulares atuais, devido a tecnologias como Full Netcom, dual-SIM dual-standby e outras, fazem com que a frequência de operação do sistema de comunicação móvel varie dinamicamente. Por exemplo, às vezes opera em 2.6 GHz e outras vezes em 3.5 GHz.

Se a frequência de operação mudar, significa que o comprimento de onda ideal também muda. Portanto, é necessário ajustar a abertura da antena, ajustar o comprimento da antena e alongar o pico da onda para obter o melhor efeito.

Em suma, a principal função da tecnologia de sintonia de antenas baseada em adaptação de impedância e sintonia de abertura é superar o impacto do ambiente externo no sinal da antena, ajustar o sinal dinamicamente e melhorar a experiência do usuário.

De acordo com verificações reais, com a tecnologia de aprimoramento de sinal assistida por IA, a precisão da percepção situacional do sistema pode ser melhorada em 30%, o que pode reduzir significativamente a taxa de queda de chamadas e melhorar a velocidade, a cobertura e a duração da bateria.

▉Conclusão

Existem muitas tecnologias inovadoras de ponta para sistemas de radiofrequência 5G, como otimização multicarrier, ajuste de desacoplamento, aumento da simultaneidade de múltiplos cartões SIM, etc. Todas essas tecnologias de ponta são fruto da inovação tecnológica. Elas condensaram a sabedoria dos engenheiros e lançaram as bases para o lançamento bem-sucedido dos terminais 5G.

A radiofrequência 5G atual não é mais um componente auxiliar da banda base, mas sim um componente importante do telefone celular que pode estar em pé de igualdade com a banda base e complementá-la.

Com o aprofundamento contínuo da construção da rede 5G, além das comunicações por telefonia móvel, um número crescente de aplicações industriais verticais do 5G tem surgido. Os formatos dos terminais 5G se diversificarão e um teste ainda maior será imposto à tecnologia de radiofrequência 5G.

Que novas funcionalidades a radiofrequência 5G apresentará até lá? Vamos aguardar para ver!

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