В одной статье вы разберетесь в технологии радиочастот 5G: ее сложность пугает, она сравнима со сложностью базовой полосы частот.

Мобильные телефоны, как стандартная функция в эпоху мобильного интернета, вошли в жизнь каждого из нас. С их помощью мы можем общаться, делать покупки, смотреть телепередачи по своему желанию и наслаждаться прекрасной жизнью.

Поскольку мобильные телефоны играют огромную роль, люди уделяют большое внимание развитию связанных с ними технологий. При каждом выпуске нового продукта СМИ публикуют подробные репортажи, а в социальных сетях разгораются жаркие дискуссии.

Однако внимание людей к мобильным телефонам часто сосредоточено на процессоре, графическом процессоре, базовой полосе частот, экране и камере. Существует один особый компонент, чрезвычайно важный для мобильных телефонов, но мало кто обращает на него внимание.

Какая именно часть? Да, это главный герой нашей сегодняшней статьи — радиочастота.

▉Что такое радиочастота?

Радиочастота, английское название Radio Frequency, — это общеизвестный аббревиатура RF. В буквальном смысле Radio Frequency означает радиочастота. Радиочастотные сигналы — это, в частности, радиоэлектромагнитные волны в диапазоне частот от 300 кГц до 300 ГГц.

Как всем известно, связь между мобильными телефонами и базовыми станциями осуществляется посредством обмена радиоэлектромагнитными волнами.

Совокупность схем, микросхем, компонентов и т. д. в мобильном телефоне, отвечающих за передачу и прием радиоэлектромагнитных волн, в совокупности называется радиочастотной системой или сокращенно «радиочастотой» (далее то же самое).

Радиочастота и базовая полоса частот являются краеугольными камнями функций мобильной связи. Если рассматривать связь между мобильным телефоном и внешним миром как «экспресс-услугу», то задача базовой полосы частот — «упаковка/распаковка» данных. Задача радиочастот — передача/прием «пакетов» через выделенный диапазон радиочастот.

Схема: слева — основная полоса частот, справа — радиочастота.

Как выглядит радиочастота? На рисунке ниже показана компоновка передней и задней сторон основной печатной платы мобильного телефона определенной марки.

（图片来自ABI Research）

На рисунке все детали, обведенные желтым кругом, относятся к радиочастотному диапазону. Видно, что радиочастотные компоненты занимают значительную долю в структуре мобильных телефонов.

С архитектурной точки зрения, полная радиочастотная система включает три части: радиочастотный приемопередатчик, радиочастотный входной каскад и антенну. Радиочастотный входной каскад также включает в себя множество компонентов, таких как усилители мощности, устройства слежения за огибающей, малошумящие усилители, фильтры, антенные переключатели и антенные тюнеры.

РФ архитектура

Функции каждого компонента радиочастотного тракта несложны. Например, усилитель усиливает сигнал, чтобы его можно было передавать на большее расстояние; фильтр удаляет помехи и делает сигнал более «чистым»; переключатель антенны используется для управления открытием и закрытием антенны; основная функция антенного тюнера — «настраивать» антенну для достижения наилучшего эффекта приемопередатчика...

Большое количество радиочастотных компонентов взаимодействуют друг с другом и работают вместе, чтобы завершить «заключительный этап» и передать данные, упакованные в полосу частот «биу~биу~биу~».

Если конструкция радиочастотного модуля неоптимальна, а характеристики компонентов оставляют желать лучшего, это напрямую повлияет на возможности мобильного телефона по передаче и приему беспроводного сигнала, а следовательно, и на качество связи. Конкретные проявления включают слабый беспроводной сигнал, малую дальность связи, низкую скорость сети и т.д.

Иными словами, если радиочастотные возможности мобильного телефона недостаточны, это как автомобиль с недостаточной мощностью. Какими бы навороченными ни были другие функции, пользователи этого не примут.

Поэтому, когда производители мобильных телефонов разрабатывают и проектируют телефоны, они обычно уделяют много внимания радиочастотам, многократно обсуждают и проводят тестирование и проверку, прежде чем решиться на выпуск конечного продукта.

▉Проблемы, связанные с радиочастотами 5G

Сегодня мы с высоко поднятой головой вступаем в эру 5G. Есть ли какие-либо изменения в радиочастотной системе 5G по сравнению с традиционным 4G?

Ответ — да. Происходят не просто перемены, а кардинальные изменения.

По сравнению с 4G, 5G значительно улучшила свои показатели производительности. Сценарий eMBB (расширенная мобильная широкополосная связь) в 5G увеличивает скорость мобильной связи до гигабитного или даже 10-гигабитного уровня, что в 10 и 100 раз превышает скорость раннего LTE (100 Мбит/с) соответственно.

2G/3G/4G, плюс 5G, плюс MIMO (многоантенная технология), плюс две SIM-карты в режиме ожидания, вдвое больше антенн и поддерживаемых частотных диапазонов мобильных телефонов. На заре 4G существовало менее 20 комбинаций частотных диапазонов. В отличие от этого,Технология 5G использует более 10 000 комбинаций частотных диапазонов.Сложность этого процесса ужасает.

В то же время, чтобы гарантировать готовность пользователей к обновлению (tāo) (qián), толщину и вес мобильных телефонов 5G нельзя увеличивать, энергопотребление нельзя увеличивать, а время работы в режиме ожидания нельзя сокращать.

Если бы вы были производителем мобильных телефонов, вы бы сошли с ума?

Следовательно, радиочастота мобильных телефонов 5G должна переосмыслиться и активно творить чудеса и инновации.

Как решить проблемы проектирования радиочастотных систем? Компания Qualcomm предложила макроидею и напрямую предоставила «полный модем и радиочастотную систему». В общепринятом понимании это означает, что базовая полоса частот, радиочастотный приемопередатчик, радиочастотный интерфейс, антенный модуль, программная платформа и т.д. — все это уже готовое решение, предоставляемое производителю.

Иными словами, концепция проектирования терминальных компонентов, таких как мобильные телефоны 5G, должна отказаться от прежней идеи «купить лошадь на восточном рынке, седло на западном, уздечку на южном и кнут на северном» и сосредоточиться на отдельных компонентах, и вместо этого принять интегрированное системное решение «пакетного проектирования».

Например, раньше завод А производил базовую полосу частот, завод В — радиочастотный модуль, завод С — антенну, а завод D, производящий мобильные телефоны, занимался их интеграцией и подключением. Сегодня же крупные производители напрямую разрабатывают и проектируют базовую полосу частот, радиочастотный модуль, антенну и т.д., а затем передают их производителям мобильных телефонов для быстрого ввода в эксплуатацию.

Интеграция на системном уровне является неизбежным результатом существенного увеличения сложности базовой полосы частот и радиочастот 5G.

Это как поезд. Раньше скорость вагонов с кожаной обивкой была низкой, и вагоны и передняя часть вагонов проектировались и изготавливались отдельно, а затем работали вместе. Однако в эпоху высокоскоростных железных дорог показатели скорости удвоились. Если их по-прежнему проектировать и изготавливать отдельно, вагоны и локомотив не смогут быть в полной мере скоординированы. Это не только затруднит достижение высоких показателей скорости, но и может привести к проблемам с безопасностью.

Поэтому электропоезда для высокоскоростных железных дорог обычно проектируются и изготавливаются по единой технологии.

Иными словами, в условиях вышеупомянутых жестких требований к 5G необходимо проводить комплексное проектирование базовой полосы частот и радиочастот с точки зрения системной интеграции. Таким образом, можно добиться идеальной синергии программного и аппаратного обеспечения и оптимальной производительности (скорость передачи данных, зона покрытия и т. д.).

Помимо достижения целевых показателей, интегрированная конструкция также способствует уменьшению габаритов системы и сокращению пространства, занимаемого мобильным телефоном. С точки зрения энергопотребления системы и контроля теплоотвода, интегрированная конструкция также обладает очевидными преимуществами.

И наконец, что не менее важно, предоставление решений по интеграции на системном уровне может упростить проектирование для производителей мобильных телефонов, позволяя им быстрее запускать продукцию и захватывать рынок.

▉Технология радиочастот 5G черного цвета

Давайте подробнее рассмотрим интересные «черные технологии» интегрированного 5G-радио на системном уровне.

Прежде всего, первой перспективной технологией является широкополосное отслеживание огибающей.

Когда я ранее представлял радиочастотную архитектуру, в ней был предусмотрен трекер мощности. Трекеры мощности используются с усилителями мощности.

Усилитель мощности — это основной компонент радиочастотного диапазона. Он подобен динамику, преобразующему слабые звуки (сигналы) в громкие звуки (сигналы).

Чтобы заиграть на трубе, вам определённо придётся изрядно потрудиться (израсходовать много энергии). Функция регулятора мощности заключается в контроле интенсивности (мощности) звучания трубы.

Традиционный метод продувки — это метод APT, основанный на отслеживании средней мощности. В течение определенного периода времени сила продувки остается постоянной.

Технология широкополосного отслеживания огибающей (ET) позволяет точно контролировать мощность. Другими словами, базовая полоса (модем) может управлять трекером огибающей на радиочастоте в соответствии с изменениями сигнала, тем самым точно регулируя мощность передачи беспроводного сигнала.

Потребление энергии впустую при отслеживании огибающей значительно меньше, чем при традиционном отслеживании средней мощности.

(Изображение предоставлено компанией Qualcomm)

Таким образом, значительно экономится физическая сила (энергия), снижается энергопотребление радиочастотного сигнала и увеличивается время работы мобильного телефона в режиме ожидания.

Точное управление мощностью передачи помогает мобильным телефонам достичь максимальной эффективности передачи сигнала, тем самым улучшая качество канала. В процессе «двусторонней связи» между мобильным телефоном и базовой станцией, когда мобильный телефон получает лучшее качество канала, базовая станция может обеспечить более качественные услуги восходящей и нисходящей связи, например, поддержку 2×2 MIMO, что повышает скорость сети. Кроме того, лучшее качество канала также создает условия для того, чтобы базовая станция могла выделять мобильным телефонам методы модуляции более высокого порядка (например, 256QAM), что может повысить пропускную способность мобильного телефона и обеспечить более быструю и качественную передачу данных.

Несколько поколений модемов Snapdragon 5G и интегрированных в радиочастотную систему широкополосных трекеров огибающей, ранее выпущенных компанией Qualcomm, уже используют вышеупомянутую технологию. Новейший широкополосный трекер огибающей, QET7100, демонстрирует 30-процентное повышение энергоэффективности по сравнению с самыми передовыми продуктами, предлагаемыми в настоящее время другими производителями на рынке.

Вторая представленная нами новая технология — это технология улучшения сигнала с использованием искусственного интеллекта.

Эта технология — новейшая разработка, представленная в модеме Snapdragon X65 5G и радиочастотной системе, выпущенной в феврале. Это также первый случай в отрасли, когда передовые технологии искусственного интеллекта были внедрены в радиочастотную систему мобильного телефона для улучшения сигнала.

Суть технологии улучшения сигнала с помощью ИИ заключается во внедрении технологии ИИ в систему настройки антенны. Существует два метода настройки антенны: согласование импеданса и настройка апертуры.

Давайте сначала посмотрим на согласование импедансов.

Так называемое согласование импедансов можно рассматривать как своего рода "водопроводную" систему.

Соединение между компонентами радиочастотной системы и антенной подобно соединению двух водопроводных труб. Когда импедансы совпадают, их положения идеально совпадают. В это время поток воды максимален, а эффективность сигнала максимальна. Если импеданс компонента смещается, водопроводная труба перегибается, поток воды уменьшается, и часть воды теряется.

Изменение импеданса может быть вызвано множеством причин, таких как прикосновение рук, подключение кабелей передачи данных, надевание чехла на мобильный телефон и т. д. Даже различные жесты удержания (левая рука, правая рука, одна рука, две руки) приводят к изменению импеданса.

Традиционный метод согласования импеданса заключается в тестировании различных причин изменения импеданса в лабораторных условиях для определения значений характеристик антенны, а затем в управлении радиочастотными компонентами через модем для регулировки импеданса таким образом, чтобы водоприемная труба была максимально выровнена с водопроводной трубой.

Технология усиления сигнала с использованием искусственного интеллекта внедряет алгоритмы ИИ для проведения анализа больших данных и машинного обучения на основе значений характеристик антенны, возникающих в результате различных изменений импеданса, с целью интеллектуальной регулировки импеданса и достижения наиболее совершенного эффекта согласования.

Говоря прямо, это немного похоже на установку шланга для отвода грязной воды между водопроводной трубой и приемной трубой, чтобы максимально предотвратить потери воды.

Улучшение сигнала с помощью ИИ эквивалентно соединительному шлангу между радиочастотным каналом и антенной.

Настройка апертуры относительно проста: достаточно отрегулировать электрическую длину антенны.

С радиологической точки зрения, идеальная длина антенны составляла бы четверть длины волны. В современных мобильных телефонах, из-за таких особенностей, как поддержка двух SIM-карт и двойного режима ожидания, а также по другим причинам, рабочая частота системы мобильной связи динамически меняется. Например, иногда она работает на частоте 2.6 ГГц, а иногда на 3.5 ГГц.

Изменение рабочей частоты означает изменение и оптимальной длины волны. Поэтому для достижения наилучшего эффекта необходимо настроить апертуру антенны, отрегулировать ее длину и увеличить пиковое значение длины волны.

В целом, основная функция технологии настройки антенны, основанной на согласовании импеданса и настройке апертуры, заключается в преодолении влияния внешней среды на сигнал антенны, динамической корректировке сигнала и улучшении пользовательского опыта.

Согласно результатам практической проверки, технология усиления сигнала с использованием искусственного интеллекта позволяет повысить точность определения местоположения системой на 30%, что значительно снижает количество обрывов звонков, улучшает скорость, зону покрытия и время работы от батареи.

▉Заключение

Для радиочастотных систем 5G существует множество инновационных «черных технологий», таких как многонесущая оптимизация, настройка с разделением каналов, улучшенная параллельная обработка данных с использованием нескольких SIM-карт и т. д. Все эти «черные технологии» являются результатом технологических инноваций. Они обобщили мудрость инженеров и заложили основу для бесперебойного запуска терминалов 5G.

Сегодня радиочастота 5G уже не является вспомогательной по отношению к базовой полосе частот, а важным компонентом мобильной связи, который может существовать наравне с базовой полосой и дополнять друг друга.

С непрерывным углублением в строительство сетей 5G, помимо мобильной связи, начинает появляться все больше сценариев применения 5G в различных отраслях. Формы 5G-терминалов будут становиться все более разнообразными, и перед радиочастотным интерфейсом 5G будут стоять более серьезные задачи.

Какие новые возможности откроет радиочастоты 5G к тому времени? Посмотрим!

Эта статья взята из "Электронная инженерия МирЕсли возникнут какие-либо нарушения или другие проблемы, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления.Поддержите защиту прав интеллектуальной собственности, пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке.