ทำความเข้าใจเทคโนโลยีคลื่นความถี่วิทยุ 5G ในบทความเดียว: ความซับซ้อนนั้นน่าตกใจ เทียบเท่ากับเบสแบนด์

Mobile phones, as a standard feature in the mobile Internet era, have entered every one of our lives. With it, we can chat, shop, watch TV shows as we like, and enjoy a wonderful life.

เนื่องจากโทรศัพท์มือถือมีความสำคัญมาก ผู้คนจึงให้ความสนใจอย่างมากต่อการพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง ทุกครั้งที่มีผลิตภัณฑ์ใหม่วางจำหน่าย สื่อต่างๆ จะนำเสนอรายงานอย่างละเอียด และจะมีการถกเถียงกันอย่างดุเดือดในเครือข่ายสังคมออนไลน์ด้วย

อย่างไรก็ตาม ความสนใจของผู้คนที่มีต่อโทรศัพท์มือถือมักจะมุ่งไปที่ CPU, GPU, เบสแบนด์, หน้าจอ และกล้อง แต่ยังมีส่วนประกอบพิเศษอีกอย่างหนึ่งที่สำคัญอย่างยิ่งสำหรับโทรศัพท์มือถือ แต่กลับมีคนให้ความสนใจน้อยมาก

ส่วนไหนล่ะ? ใช่แล้ว มันคือตัวเอกของบทความของเราในวันนี้ นั่นก็คือคลื่นความถี่วิทยุ

▉what is radio frequency

Radio frequency, the English name is Radio Frequency, which is the familiar RF. Literally speaking, Radio Frequency means radio frequency. Radio frequency signals specifically refer to radio electromagnetic waves with a frequency range of 300KHz~300GHz.

As we all know, the reason why mobile phones can communicate with base stations relies on sending and receiving radio electromagnetic waves to each other.

A series of circuits, chips, components, etc. in a mobile phone that are specifically responsible for sending and receiving radio electromagnetic waves are collectively called a radio frequency system, or "radio frequency" for short (the same below).

Radio frequency and baseband are the cornerstones of mobile phone communication functions. If we regard the communication between the mobile phone and the outside world as an "express service", then the baseband's responsibility is to "package/unpack" the data. The responsibility of radio frequency is to transmit/receive "packages" through the designated radio frequency band.

Schematic diagram: Baseband on the left and RF on the right

What does radio frequency look like? The picture below is the front and back layout of the main circuit board of a certain brand of mobile phone.

（รูปภาพ来自ABI Research）

ในภาพ บริเวณที่วงกลมสีเหลืองทั้งหมดเป็นส่วนประกอบของคลื่นความถี่วิทยุ จะเห็นได้ว่าส่วนประกอบคลื่นความถี่วิทยุมีสัดส่วนมากในโครงสร้างของโทรศัพท์มือถือ

จากมุมมองทางสถาปัตยกรรม ระบบคลื่นความถี่วิทยุที่สมบูรณ์ประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ เครื่องรับส่งสัญญาณคลื่นความถี่วิทยุ ส่วนหน้าของวงจรคลื่นความถี่วิทยุ และเสาอากาศ ส่วนหน้าของวงจรคลื่นความถี่วิทยุยังประกอบด้วยส่วนประกอบหลายอย่าง เช่น เครื่องขยายกำลัง เครื่องติดตามสัญญาณ เครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ ตัวกรอง สวิตช์เสาอากาศ และตัวปรับจูนเสาอากาศ

RF architecture

หน้าที่ของแต่ละส่วนประกอบในวงจรหน้า RF นั้นไม่ซับซ้อน ตัวอย่างเช่น แอมพลิฟายเออร์มีหน้าที่ขยายสัญญาณเพื่อให้สามารถส่งสัญญาณได้ไกลขึ้น ตัวกรองมีหน้าที่กำจัดสัญญาณรบกวนและทำให้สัญญาณ "บริสุทธิ์" มากขึ้น สวิตช์เสาอากาศใช้สำหรับควบคุมการเปิดและปิดเสาอากาศ และหน้าที่หลักของตัวปรับจูนเสาอากาศคือการ "ปรับแต่ง" เสาอากาศเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการรับส่งสัญญาณที่ดีที่สุด...

ส่วนประกอบความถี่วิทยุจำนวนมากทำงานร่วมกันเพื่อดำเนินการ "ขั้นตอนสุดท้าย" และส่งข้อมูลที่บรรจุอยู่ในเบสแบนด์ "biu~biu~biu~"

หากการออกแบบคลื่นความถี่วิทยุไม่เหมาะสมและประสิทธิภาพของส่วนประกอบต่ำกว่ามาตรฐาน จะส่งผลกระทบโดยตรงต่อความสามารถในการส่งและรับสัญญาณไร้สายของโทรศัพท์มือถือ ซึ่งจะส่งผลต่อความสามารถในการสื่อสารของโทรศัพท์มือถือ อาการที่ปรากฏได้แก่ สัญญาณไร้สายอ่อน ระยะการสื่อสารสั้น ความเร็วเครือข่ายช้า เป็นต้น

In other words, if the radio frequency capability of a mobile phone is not good, it is like a car with insufficient power. No matter how fancy other functions are, it will not be accepted by users.

Therefore, when mobile phone manufacturers develop and design mobile phones, they usually put a lot of effort into radio frequency, repeatedly deliberate and conduct testing and verification before they dare to launch the final product.

▉ความท้าทายด้านคลื่นความถี่วิทยุ 5G

Today, we are entering the 5G era with our heads high. Compared with traditional 4G, are there any changes in the radio frequency system of 5G?

The answer is yes. Not only is there a change, it is a sea change.

เมื่อเทียบกับ 4G แล้ว 5G มีประสิทธิภาพดีขึ้นอย่างมาก เทคโนโลยี eMBB (enhanced mobile broadband) ของ 5G ช่วยเพิ่มความเร็วของโทรศัพท์มือถือไปถึงระดับกิกะบิตหรือแม้กระทั่ง 10 กิกะบิต ซึ่งเร็วกว่าความเร็วของ LTE รุ่นแรก (100 Mbps) ถึง 10 เท่า/100 เท่า ตามลำดับ

2G/3G/4G บวก 5G บวก MIMO (เทคโนโลยีเสาอากาศหลายตัว) บวก dual-SIM dual-standby ทำให้จำนวนเสาอากาศและแถบความถี่ที่รองรับของโทรศัพท์มือถือเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ในยุคแรกๆ ของ 4G มีการผสมผสานแถบความถี่น้อยกว่า 20 แบบ ในทางตรงกันข้าม5G มีการผสมผสานแถบความถี่มากกว่า 10,000 แบบความซับซ้อนนั้นน่าหวาดกลัวเหลือเกิน

At the same time, in order to ensure that users are willing to upgrade (tāo) (qián), the thickness and weight of 5G mobile phones cannot be increased, power consumption cannot be increased, and the standby time cannot be reduced.

If you were a mobile phone manufacturer, would you go crazy?

ดังนั้น คลื่นความถี่วิทยุของโทรศัพท์มือถือ 5G จึงต้องได้รับการพัฒนาใหม่และสร้างปาฏิหาริย์และนวัตกรรมอย่างแข็งขัน

How to solve the design problems of radio frequency system? Qualcomm proposed a macro idea and directly provided "complete modem and radio frequency system." Popular understanding means that the baseband, RF transceiver, RF front-end, antenna module, software framework, etc. are all completed and a complete solution is provided to the manufacturer.

In other words, the concept of designing terminal components such as 5G mobile phones must abandon the previous idea of ​​"buying a horse in the east market, a saddle in the west market, a bridle in the south market, and a whip in the north market" and focusing on individual components, and instead adopt an integrated system-level solution of "package design".

For example, in the past, Factory A made the baseband, Factory B made the RF, Factory C made the antenna, and then the mobile phone Factory D figured out how to integrate and connect them. Nowadays, powerful manufacturers directly package and design the baseband, radio frequency and antenna, etc., and then hand them over to the mobile phone manufacturers, so that they can be used quickly.

การบูรณาการในระดับระบบเป็นผลลัพธ์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้จากการเพิ่มขึ้นอย่างมากของความซับซ้อนของเบสแบนด์และคลื่นความถี่วิทยุ 5G

มันก็เหมือนกับรถไฟ ในอดีต รถไฟที่วิ่งด้วยความเร็วสูงนั้นช้า และตัวรถและหัวรถจักรสามารถออกแบบและผลิตแยกกันได้ แล้วจึงวิ่งไปด้วยกัน แต่ในยุคของรถไฟความเร็วสูง ความเร็วที่ต้องการนั้นเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า หากยังคงออกแบบและผลิตแยกกันต่อไป ตัวรถและหัวรถจักรจะไม่สามารถประสานงานกันได้อย่างลึกซึ้ง ไม่เพียงแต่จะทำให้ความเร็วที่ต้องการเป็นไปได้ยากเท่านั้น แต่ยังอาจเกิดปัญหาด้านความปลอดภัยอีกด้วย

ดังนั้น รถไฟความเร็วสูงแบบ EMU จึงมักได้รับการออกแบบและผลิตในลักษณะที่เป็นมาตรฐานเดียวกัน

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในสถานการณ์ที่ตัวชี้วัด 5G ที่เข้มงวดดังที่กล่าวมาข้างต้น จำเป็นต้องออกแบบเบสแบนด์และคลื่นความถี่วิทยุโดยรวมจากมุมมองของการบูรณาการในระดับระบบ ด้วยวิธีนี้ ทั้งสองส่วนจะสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างสมบูรณ์แบบทั้งในด้านซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ และบรรลุประสิทธิภาพสูงสุด (อัตราการรับส่งข้อมูล ความครอบคลุม ฯลฯ)

นอกเหนือจากการบรรลุเป้าหมายแล้ว การออกแบบแบบบูรณาการยังช่วยลดขนาดโดยรวมของระบบและลดพื้นที่ที่โทรศัพท์มือถือใช้ลงได้อีกด้วย นอกจากนี้ การออกแบบแบบบูรณาการยังมีข้อดีที่เห็นได้ชัดในด้านการควบคุมการใช้พลังงานและการระบายความร้อนของระบบ

สุดท้ายนี้ การนำเสนอโซลูชันการบูรณาการระดับระบบสามารถลดความยากลำบากในการออกแบบของผู้ผลิตโทรศัพท์มือถือ ทำให้พวกเขาสามารถเปิดตัวผลิตภัณฑ์ได้เร็วขึ้นและคว้าโอกาสในตลาดได้

▉5G radio frequency black technology

Let’s take a closer look at the interesting black technologies of system-level integrated 5G radio.

ประการแรก เทคโนโลยีสีดำอย่างแรกคือ การติดตามซองจดหมายบรอดแบนด์

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

เครื่องขยายกำลังเป็นส่วนประกอบหลักของคลื่นความถี่วิทยุ มันเปรียบเสมือนลำโพงที่แปลงเสียงเล็กๆ (สัญญาณ) ให้กลายเป็นเสียงดังๆ (สัญญาณ)

ถ้าคุณต้องการเป่าแตร คุณต้องทำงานหนักอย่างแน่นอน (แหล่งพลังงาน) หน้าที่ของตัวติดตามพลังงานคือการควบคุมความเข้ม (พลังงาน) ของการเป่าแตร

วิธีการเป่าลมแบบดั้งเดิมคือวิธี APT ซึ่งย่อมาจาก Average Power Tracking (การติดตามกำลังเฉลี่ย) โดยแรงเป่าลมจะคงที่ภายในช่วงเวลาหนึ่ง

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.

The wasted power consumption of envelope tracking is significantly less than that of traditional average power tracking.

(ภาพจาก Qualcomm)

ด้วยวิธีนี้ จะสามารถประหยัดพลังงานได้อย่างมาก ลดการใช้พลังงานคลื่นความถี่วิทยุ และเพิ่มระยะเวลาการใช้งานในโหมดสแตนด์บายของโทรศัพท์มือถือได้

การควบคุมกำลังส่งที่แม่นยำช่วยให้โทรศัพท์มือถือได้รับประสิทธิภาพการส่งสัญญาณที่ดีที่สุด ส่งผลให้ได้คุณภาพช่องสัญญาณที่ดีขึ้น ในกระบวนการ "การสื่อสารสองทาง" ระหว่างโทรศัพท์มือถือและสถานีฐาน เมื่อโทรศัพท์มือถือได้รับคุณภาพช่องสัญญาณที่ดีขึ้น สถานีฐานจะสามารถสนับสนุนโทรศัพท์มือถือให้ให้บริการอัปโหลดและดาวน์โหลดที่ดีขึ้น เช่น การรองรับ 2×2 MIMO และความเร็วเครือข่ายจะราบรื่นยิ่งขึ้น นอกจากนี้ คุณภาพช่องสัญญาณที่ดีขึ้นยังสร้างเงื่อนไขให้สถานีฐานสามารถจัดสรรวิธีการมอดูเลชั่นลำดับสูงกว่า (เช่น 256QAM) ให้กับโทรศัพท์มือถือ ซึ่งสามารถปรับปรุงปริมาณงานของโทรศัพท์มือถือและรองรับบริการส่งข้อมูลที่รวดเร็วและดีขึ้นได้

Several generations of Snapdragon 5G modems and RF system-integrated broadband envelope trackers previously released by Qualcomm have already adopted the above technology. Its latest broadband envelope tracker, QET7100, has a 30% improvement in energy efficiency compared with the most advanced products currently provided by other manufacturers on the market.

เทคโนโลยีสีดำอย่างที่สองที่เรานำเสนอคือ เทคโนโลยีเพิ่มประสิทธิภาพสัญญาณด้วยปัญญาประดิษฐ์ (AI)

เทคโนโลยีนี้เป็นเทคโนโลยีใหม่ล่าสุดที่เปิดตัวในโมเด็ม Snapdragon X65 5G และระบบคลื่นความถี่วิทยุเมื่อเดือนกุมภาพันธ์ที่ผ่านมา นอกจากนี้ยังเป็นครั้งแรกในอุตสาหกรรมที่มีการนำเทคโนโลยี AI ที่ทันสมัยมาใช้ในระบบคลื่นความถี่วิทยุของโทรศัพท์มือถือเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของสัญญาณ

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.

Let's look at impedance matching first.

สิ่งที่เรียกว่าการจับคู่ความต้านทานนั้น สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นงานประเภท "ท่อน้ำ"

การเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบของระบบ RF กับเสาอากาศนั้นเปรียบเสมือนการเชื่อมต่อระหว่างท่อน้ำสองท่อ เมื่อค่าความต้านทานสอดคล้องกัน ตำแหน่งก็จะตรงกันอย่างสมบูรณ์ ในเวลานั้น การไหลของน้ำจะมากที่สุดและประสิทธิภาพของสัญญาณจะสูงที่สุด หากค่าความต้านทานของส่วนประกอบเปลี่ยนไป ท่อน้ำก็จะคดเคี้ยว การไหลของน้ำจะน้อยลง และน้ำบางส่วนก็จะสูญเปล่า

การเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานเกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ เช่น การสัมผัสด้วยมือ การเสียบสายเคเบิล การใส่เคสโทรศัพท์มือถือ เป็นต้น แม้แต่ท่าทางการจับที่แตกต่างกัน (มือซ้าย มือขวา มือเดียว สองมือ) ก็จะทำให้ค่าความต้านทานแตกต่างกันได้

The traditional impedance matching method is to test various causes of impedance changes in the laboratory to find the antenna characteristic values, and then control the radio frequency components through the modem to adjust the impedance so that the water receiving pipe is aligned with the water supply pipe as much as possible.

เทคโนโลยีเพิ่มประสิทธิภาพสัญญาณด้วย AI นำเสนออัลกอริธึม AI มาใช้ในการวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่และการเรียนรู้ของเครื่องจักรเกี่ยวกับค่าลักษณะเฉพาะของเสาอากาศอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์ต่างๆ เพื่อให้สามารถปรับอิมพีแดนซ์ได้อย่างชาญฉลาดและบรรลุผลการจับคู่ที่สมบูรณ์แบบที่สุด

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.

การเพิ่มประสิทธิภาพสัญญาณด้วย AI เปรียบเสมือนสายเชื่อมต่อระหว่างคลื่นความถี่วิทยุกับเสาอากาศ

Aperture tuning is relatively simple, just adjust the electrical length of the antenna.

จากมุมมองทางรังสีวิทยา ความยาวที่เหมาะสมของเสาอากาศควรเป็นหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น โทรศัพท์มือถือในปัจจุบัน เนื่องมาจากระบบเครือข่ายเต็มรูปแบบ ระบบสองซิมแบบสแตนด์บาย และเหตุผลอื่นๆ ความถี่ในการทำงานของระบบสื่อสารเคลื่อนที่จึงเปลี่ยนแปลงไปแบบไดนามิก ตัวอย่างเช่น บางครั้งทำงานที่ 2.6GHz และบางครั้งทำงานที่ 3.5GHz

หากความถี่ในการทำงานเปลี่ยนแปลงไป นั่นหมายความว่าความยาวคลื่นที่เหมาะสมที่สุดก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับขนาดรูรับแสงของเสาอากาศ ปรับความยาวของเสาอากาศ และยืดความยาวสูงสุดของคลื่นเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด

All in all, the main function of antenna tuning technology based on impedance matching and aperture tuning is to overcome the impact of the external environment on the antenna signal, dynamically adjust the signal, and improve the user experience.

จากการตรวจสอบจริง พบว่าเทคโนโลยีเพิ่มประสิทธิภาพสัญญาณด้วย AI ช่วยเพิ่มความแม่นยำในการรับรู้สถานการณ์ของระบบได้ถึง 30% ซึ่งช่วยลดอัตราการสายหลุด และปรับปรุงความเร็ว ความครอบคลุม และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้อย่างมาก

▉สรุป

มีเทคโนโลยีล้ำสมัยมากมายสำหรับระบบคลื่นความถี่วิทยุ 5G เช่น การเพิ่มประสิทธิภาพหลายคลื่นความถี่ การปรับจูนแบบแยกส่วน การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานหลายซิมการ์ดพร้อมกัน เป็นต้น เทคโนโลยีล้ำสมัยเหล่านี้ล้วนเป็นผลมาจากการคิดค้นนวัตกรรมทางเทคโนโลยี ซึ่งได้รวบรวมภูมิปัญญาของวิศวกรและวางรากฐานสำหรับการเปิดตัวอุปกรณ์ 5G อย่างราบรื่น

Today's 5G radio frequency is no longer an auxiliary to the baseband, but an important mobile phone component that can be on an equal footing with the baseband and complement each other.

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.

ในอนาคตคลื่นความถี่วิทยุ 5G จะสร้างความแปลกใหม่แบบไหนอีกบ้าง? เรามาคอยดูกัน!

บทความนี้มาจาก "วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์โลกหากมีการละเมิดลิขสิทธิ์หรือปัญหาอื่นใด โปรดติดต่อเราเพื่อลบออกเพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญา โปรดระบุแหล่งที่มาและชื่อผู้เขียนต้นฉบับเมื่อนำไปพิมพ์ซ้ำ