Hiểu rõ công nghệ tần số vô tuyến 5G bí mật chỉ trong một bài viết: độ phức tạp đáng sợ, ngang ngửa với công nghệ băng tần cơ sở.

Điện thoại di động, như một tính năng tiêu chuẩn trong kỷ nguyên Internet di động, đã len lỏi vào cuộc sống của mỗi người. Nhờ nó, chúng ta có thể trò chuyện, mua sắm, xem các chương trình truyền hình tùy thích và tận hưởng một cuộc sống tuyệt vời.

Vì điện thoại di động rất quan trọng, nên mọi người rất quan tâm đến sự phát triển của các công nghệ liên quan. Mỗi khi một sản phẩm mới được ra mắt, giới truyền thông sẽ đưa tin dài dòng, và cũng sẽ có những cuộc thảo luận sôi nổi trên mạng xã hội.

Tuy nhiên, sự chú ý của mọi người đối với điện thoại di động thường tập trung vào CPU, GPU, baseband, màn hình và camera. Có những thành phần đặc biệt quan trọng đối với điện thoại di động, nhưng ít người để ý đến chúng.

Đó là bộ phận nào? Đúng vậy, đó chính là nhân vật chính của bài viết hôm nay - tần số vô tuyến.

▉Tần số vô tuyến là gì?

Tần số vô tuyến, tên tiếng Anh là Radio Frequency, thường được hiểu là RF. Theo nghĩa đen, Radio Frequency có nghĩa là tần số vô tuyến. Tín hiệu tần số vô tuyến cụ thể đề cập đến sóng điện từ vô tuyến có dải tần từ 300KHz đến 300GHz.

Như chúng ta đã biết, lý do điện thoại di động có thể liên lạc với trạm gốc là nhờ việc gửi và nhận sóng điện từ vô tuyến cho nhau.

Một loạt các mạch điện, chip, linh kiện, v.v. trong điện thoại di động chịu trách nhiệm cụ thể cho việc gửi và nhận sóng điện từ vô tuyến được gọi chung là hệ thống tần số vô tuyến, hoặc viết tắt là "tần số vô tuyến" (tương tự như bên dưới).

Tần số vô tuyến và băng tần cơ sở là nền tảng của các chức năng liên lạc điện thoại di động. Nếu coi sự liên lạc giữa điện thoại di động và thế giới bên ngoài như một "dịch vụ chuyển phát nhanh", thì trách nhiệm của băng tần cơ sở là "đóng gói/giải nén" dữ liệu. Trách nhiệm của tần số vô tuyến là truyền/nhận "gói dữ liệu" thông qua dải tần số vô tuyến được chỉ định.

Sơ đồ mạch: Mạch băng tần cơ sở ở bên trái và mạch tần số vô tuyến (RF) ở bên phải.

Tần số vô tuyến trông như thế nào? Hình ảnh bên dưới là sơ đồ bố trí mặt trước và mặt sau của bo mạch chủ của một nhãn hiệu điện thoại di động nhất định.

(Nghiên cứu của ABI)

Trong hình, các bộ phận được khoanh tròn màu vàng đều thuộc về tần số vô tuyến. Có thể thấy rằng các linh kiện tần số vô tuyến chiếm một tỷ lệ lớn trong cấu trúc của điện thoại di động.

Từ góc độ kiến ​​trúc, một hệ thống tần số vô tuyến hoàn chỉnh bao gồm ba phần: bộ thu phát tần số vô tuyến, mạch tiền khuếch đại tần số vô tuyến và anten. Mạch tiền khuếch đại tần số vô tuyến cũng bao gồm nhiều thành phần như bộ khuếch đại công suất, bộ theo dõi biên độ tín hiệu, bộ khuếch đại nhiễu thấp, bộ lọc, bộ chuyển mạch anten và bộ điều chỉnh anten.

kiến trúc tần số vô tuyến

Chức năng của từng thành phần trong mạch tiền khuếch đại RF không phức tạp. Ví dụ, bộ khuếch đại có chức năng khuếch đại tín hiệu để tín hiệu có thể được truyền đi xa hơn; bộ lọc có chức năng loại bỏ nhiễu và làm cho tín hiệu "tinh khiết" hơn; công tắc anten được sử dụng để điều khiển việc đóng mở anten; chức năng chính của bộ điều chỉnh anten là "điều chỉnh" anten để đạt được hiệu quả thu phát tốt nhất...

Một lượng lớn các thành phần tần số vô tuyến phối hợp với nhau và cùng nhau hoàn thành "bước cuối cùng" và truyền dữ liệu được đóng gói bởi băng tần cơ sở "biu~biu~biu~".

Nếu thiết kế tần số vô tuyến không hợp lý và hiệu năng linh kiện không đáp ứng được, điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng gửi và nhận tín hiệu không dây của điện thoại di động, từ đó ảnh hưởng đến khả năng liên lạc của điện thoại. Biểu hiện cụ thể là tín hiệu không dây yếu, khoảng cách liên lạc ngắn, tốc độ mạng chậm, v.v.

Nói cách khác, nếu khả năng tần số vô tuyến của điện thoại di động không tốt, nó giống như một chiếc xe hơi thiếu công suất. Cho dù các chức năng khác có hiện đại đến đâu, người dùng cũng sẽ không chấp nhận.

Do đó, khi các nhà sản xuất điện thoại di động phát triển và thiết kế điện thoại, họ thường đầu tư rất nhiều công sức vào tần số vô tuyến, liên tục cân nhắc, tiến hành thử nghiệm và xác minh trước khi dám tung ra sản phẩm cuối cùng.

▉Những thách thức về tần số vô tuyến 5G

Ngày nay, chúng ta đang bước vào kỷ nguyên 5G với sự tự tin. So với công nghệ 4G truyền thống, hệ thống tần số vô tuyến của 5G có những thay đổi nào?

Câu trả lời là có. Không chỉ có sự thay đổi, mà đó còn là một sự thay đổi lớn lao.

So với 4G, 5G đã cải thiện đáng kể các chỉ số hiệu năng. Công nghệ eMBB (băng thông rộng di động nâng cao) của 5G giúp tăng tốc độ điện thoại di động lên mức Gigabit hoặc thậm chí 10 Gigabit, tương ứng gấp 10 lần/100 lần tốc độ của LTE đời đầu (100Mbps).

2G/3G/4G, cộng thêm 5G, cộng thêm MIMO (công nghệ đa anten), cộng thêm hai SIM hai chế độ chờ, gấp đôi số lượng anten và băng tần được hỗ trợ của điện thoại di động. Vào những ngày đầu của 4G, chỉ có chưa đến 20 tổ hợp băng tần. Ngược lại,Công nghệ 5G có hơn 10,000 sự kết hợp dải tần số.Sự phức tạp ấy thật đáng sợ.

Đồng thời, để đảm bảo người dùng sẵn sàng nâng cấp, độ dày và trọng lượng của điện thoại di động 5G không được tăng lên, mức tiêu thụ điện năng không được tăng lên và thời gian chờ không được giảm xuống.

Nếu bạn là nhà sản xuất điện thoại di động, bạn có phát điên lên không?

Do đó, tần số vô tuyến của điện thoại di động 5G cần phải tự đổi mới và mạnh mẽ tạo ra những điều kỳ diệu và sự đột phá.

Làm thế nào để giải quyết các vấn đề thiết kế của hệ thống tần số vô tuyến? Qualcomm đã đề xuất một ý tưởng tổng thể và trực tiếp cung cấp "hệ thống modem và tần số vô tuyến hoàn chỉnh". Theo cách hiểu phổ biến, điều này có nghĩa là băng tần cơ sở, bộ thu phát RF, giao diện RF, mô-đun anten, khung phần mềm, v.v. đều được hoàn thiện và một giải pháp hoàn chỉnh được cung cấp cho nhà sản xuất.

Nói cách khác, khái niệm thiết kế các linh kiện đầu cuối như điện thoại di động 5G phải từ bỏ ý tưởng cũ "mua ngựa ở chợ phía Đông, yên ngựa ở chợ phía Tây, dây cương ở chợ phía Nam và roi ở chợ phía Bắc" và tập trung vào từng linh kiện riêng lẻ, thay vào đó phải áp dụng giải pháp tích hợp cấp hệ thống mang tên "thiết kế trọn gói".

Ví dụ, trước đây, nhà máy A sản xuất chip xử lý băng tần cơ sở, nhà máy B sản xuất chip xử lý tần số vô tuyến (RF), nhà máy C sản xuất anten, và sau đó nhà máy sản xuất điện thoại di động D tìm cách tích hợp và kết nối chúng. Ngày nay, các nhà sản xuất mạnh mẽ trực tiếp đóng gói và thiết kế chip xử lý băng tần cơ sở, tần số vô tuyến và anten, v.v., rồi giao cho các nhà sản xuất điện thoại di động để có thể sử dụng nhanh chóng.

Việc tích hợp ở cấp độ hệ thống là kết quả tất yếu của sự gia tăng đáng kể về độ phức tạp của băng tần cơ sở và tần số vô tuyến 5G.

Nó giống như một đoàn tàu. Trước đây, tốc độ của những toa tàu bọc da màu xanh lá cây khá chậm, và toa xe cùng đầu máy có thể được thiết kế và chế tạo riêng biệt, rồi chạy chung với nhau. Tuy nhiên, trong thời đại đường sắt cao tốc, tốc độ đã tăng gấp đôi. Nếu tiếp tục thiết kế và chế tạo riêng biệt, các toa xe và đầu máy sẽ không thể phối hợp nhịp nhàng. Không chỉ khó đạt được tốc độ mong muốn mà còn có thể phát sinh các vấn đề về an toàn.

Do đó, các đoàn tàu điện cao tốc thường được thiết kế và sản xuất theo một phương thức thống nhất.

Nói cách khác, trước những chỉ số khắc nghiệt của 5G đã đề cập ở trên, cần phải tiến hành thiết kế tổng thể băng tần cơ sở và tần số vô tuyến từ góc độ tích hợp hệ thống. Bằng cách này, cả hai có thể đạt được sự phối hợp hoàn hảo giữa phần mềm và phần cứng, từ đó đạt được hiệu suất tối ưu (tốc độ truyền dữ liệu, vùng phủ sóng, v.v.).

Ngoài việc đạt được các chỉ số đề ra, thiết kế tích hợp còn giúp giảm kích thước tổng thể của hệ thống và tiết kiệm không gian mà điện thoại di động chiếm dụng. Về khả năng kiểm soát mức tiêu thụ điện năng và tản nhiệt của hệ thống, thiết kế tích hợp cũng có những ưu điểm rõ rệt.

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, việc cung cấp các giải pháp tích hợp cấp hệ thống có thể giảm bớt độ khó thiết kế cho các nhà sản xuất điện thoại di động, cho phép họ ra mắt sản phẩm nhanh hơn và chiếm lĩnh thị trường.

▉Công nghệ tần số vô tuyến 5G

Hãy cùng tìm hiểu kỹ hơn về những công nghệ tiên tiến thú vị của hệ thống vô tuyến 5G tích hợp cấp độ hệ thống.

Trước hết, công nghệ tiên tiến đầu tiên là theo dõi bao bì băng thông rộng.

Khi tôi giới thiệu kiến ​​trúc tần số vô tuyến trước đó, trong đó có một bộ theo dõi công suất. Bộ theo dõi công suất được sử dụng với bộ khuếch đại công suất.

Bộ khuếch đại công suất là thành phần cốt lõi của tần số vô tuyến. Nó giống như một chiếc loa, biến những âm thanh (tín hiệu) nhỏ thành những âm thanh (tín hiệu) lớn.

Nếu muốn thổi kèn trumpet, bạn nhất định phải nỗ lực hết sức (cung cấp năng lượng). Chức năng của bộ theo dõi công suất là kiểm soát cường độ (công suất) thổi kèn.

Phương pháp thổi truyền thống là phương pháp APT, tức là theo dõi công suất trung bình. Trong một khoảng thời gian nhất định, lực thổi được duy trì không đổi.

Và công nghệ theo dõi bao bì băng rộng (ET) cho phép kiểm soát công suất chính xác. Nói cách khác, băng tần cơ sở (modem) có thể điều khiển bộ theo dõi bao bì trong dải tần vô tuyến theo sự thay đổi của tín hiệu, từ đó kiểm soát chính xác công suất truyền của tín hiệu không dây.

Mức tiêu thụ điện năng lãng phí của phương pháp theo dõi đường bao tín hiệu thấp hơn đáng kể so với phương pháp theo dõi công suất trung bình truyền thống.

(Hình ảnh từ Qualcomm)

Bằng cách này, sức lực (năng lượng) được tiết kiệm đáng kể, mức tiêu thụ điện năng tần số vô tuyến được giảm thiểu và thời gian chờ của điện thoại di động được tăng lên.

Việc điều khiển công suất phát chính xác giúp điện thoại di động đạt được hiệu suất truyền tín hiệu tốt nhất, từ đó có được chất lượng kênh tốt hơn. Trong quá trình "giao tiếp hai chiều" giữa điện thoại di động và trạm gốc, khi điện thoại di động có được chất lượng kênh tốt hơn, trạm gốc có thể hỗ trợ điện thoại di động đạt được các dịch vụ đường lên và đường xuống tốt hơn, chẳng hạn như hỗ trợ MIMO 2×2, và tốc độ mạng mượt mà hơn. Ngoài ra, chất lượng kênh tốt hơn cũng tạo điều kiện cho phía trạm gốc phân bổ các phương pháp điều chế bậc cao hơn (chẳng hạn như 256QAM) cho điện thoại di động, có thể cải thiện thông lượng của điện thoại di động và hỗ trợ các dịch vụ truyền dữ liệu nhanh hơn và tốt hơn.

Một số thế hệ modem Snapdragon 5G và bộ theo dõi tín hiệu băng thông rộng tích hợp hệ thống RF do Qualcomm phát hành trước đây đã áp dụng công nghệ nêu trên. Bộ theo dõi tín hiệu băng thông rộng mới nhất của hãng, QET7100, có hiệu suất năng lượng được cải thiện 30% so với các sản phẩm tiên tiến nhất hiện có trên thị trường của các nhà sản xuất khác.

Công nghệ tiên tiến thứ hai mà chúng tôi giới thiệu là công nghệ tăng cường tín hiệu hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo.

Công nghệ này là công nghệ mới nhất được tích hợp trong modem Snapdragon X65 5G và hệ thống tần số vô tuyến vừa được ra mắt vào tháng Hai. Đây cũng là lần đầu tiên trong ngành công nghiệp điện thoại di động, công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) tiên tiến được ứng dụng vào hệ thống tần số vô tuyến để tăng cường tín hiệu.

Cốt lõi của công nghệ tăng cường tín hiệu hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo là đưa công nghệ AI vào hệ thống điều chỉnh anten. Có hai phương pháp điều chỉnh anten, một là khớp trở kháng và phương pháp còn lại là điều chỉnh khẩu độ.

Trước tiên hãy xem xét kết hợp trở kháng.

Việc khớp trở kháng có thể được hiểu như một dạng công việc "nối ống nước".

Mối liên hệ giữa các thành phần của hệ thống RF và anten giống như mối liên hệ giữa hai đường ống nước. Khi trở kháng trùng khớp, vị trí của chúng hoàn toàn tương ứng. Lúc này, lưu lượng nước lớn nhất và hiệu suất tín hiệu cao nhất. Nếu trở kháng của thành phần thay đổi, đường ống nước sẽ bị lệch, lưu lượng nước sẽ nhỏ và một phần lưu lượng nước sẽ bị lãng phí.

Có nhiều nguyên nhân gây ra sự thay đổi trở kháng, chẳng hạn như chạm tay, cắm dây cáp dữ liệu, lắp ốp điện thoại, v.v. Ngay cả các tư thế cầm khác nhau (tay trái, tay phải, một tay, hai tay) cũng sẽ tạo ra trở kháng khác nhau.

Phương pháp phối hợp trở kháng truyền thống là thử nghiệm các nguyên nhân khác nhau gây ra sự thay đổi trở kháng trong phòng thí nghiệm để tìm ra các giá trị đặc trưng của anten, sau đó điều khiển các thành phần tần số vô tuyến thông qua modem để điều chỉnh trở kháng sao cho đường ống nhận nước được căn chỉnh càng giống với đường ống cấp nước càng tốt.

Công nghệ tăng cường tín hiệu hỗ trợ bởi AI giới thiệu các thuật toán AI để thực hiện phân tích dữ liệu lớn và học máy trên các giá trị đặc tính của anten do các thay đổi trở kháng khác nhau nhằm đạt được sự điều chỉnh trở kháng thông minh và đạt được hiệu quả phối hợp tối ưu nhất.

Nói thẳng ra, nó giống như việc lắp một cái ống nối giữa đường ống cấp nước và đường ống nhận nước để hạn chế tối đa lượng nước bị lãng phí.

Việc tăng cường tín hiệu bằng trí tuệ nhân tạo tương đương với ống nối giữa tần số vô tuyến và ăng-ten.

Việc điều chỉnh khẩu độ tương đối đơn giản, chỉ cần điều chỉnh chiều dài điện của anten.

Từ góc độ bức xạ, chiều dài lý tưởng của một ăng-ten sẽ bằng một phần tư bước sóng. Ngày nay, do có tính năng kết nối mạng toàn diện, hai SIM hai chế độ chờ và các lý do khác, tần số hoạt động của hệ thống thông tin liên lạc di động trong điện thoại di động thay đổi liên tục. Ví dụ, đôi khi nó hoạt động ở tần số 2.6GHz và đôi khi hoạt động ở tần số 3.5GHz.

Nếu tần số hoạt động thay đổi, điều đó có nghĩa là bước sóng tối ưu cũng thay đổi. Do đó, cần phải điều chỉnh khẩu độ của anten, chiều dài của anten và kéo dài đỉnh sóng để đạt được hiệu quả tốt nhất.

Tóm lại, chức năng chính của công nghệ điều chỉnh anten dựa trên việc khớp trở kháng và điều chỉnh khẩu độ là khắc phục ảnh hưởng của môi trường bên ngoài lên tín hiệu anten, điều chỉnh tín hiệu một cách linh hoạt và nâng cao trải nghiệm người dùng.

Theo kết quả kiểm chứng thực tế, với công nghệ tăng cường tín hiệu hỗ trợ bởi AI, độ chính xác nhận biết tình huống của hệ thống có thể được cải thiện 30%, giúp giảm đáng kể tỷ lệ rớt cuộc gọi và cải thiện tốc độ, phạm vi phủ sóng cũng như thời lượng pin.

▉Kết luận

Có rất nhiều công nghệ tiên tiến chưa được công bố dành cho hệ thống tần số vô tuyến 5G, chẳng hạn như tối ưu hóa đa sóng mang, điều chỉnh tách rời, khả năng xử lý đồng thời nhiều SIM, v.v. Tất cả các công nghệ này đều là kết quả của sự đổi mới công nghệ. Chúng đã đúc kết trí tuệ của các kỹ sư và đặt nền tảng cho việc triển khai suôn sẻ các thiết bị đầu cuối 5G.

Tần số vô tuyến 5G ngày nay không còn là yếu tố phụ trợ cho băng tần cơ sở, mà là một thành phần quan trọng của điện thoại di động, có thể hoạt động ngang hàng với băng tần cơ sở và bổ sung cho nhau.

Với sự phát triển không ngừng của mạng 5G, bên cạnh lĩnh vực liên lạc điện thoại di động, ngày càng nhiều kịch bản ứng dụng 5G trong các ngành công nghiệp khác nhau bắt đầu xuất hiện. Các thiết bị đầu cuối 5G sẽ trở nên đa dạng hơn, và thách thức lớn hơn sẽ được đặt ra đối với bộ phận tiền xử lý tần số vô tuyến 5G.

Vậy thì tần số vô tuyến 5G sẽ mang đến những thủ thuật mới nào? Chúng ta hãy cùng chờ xem!

Bài viết này được trích từ "Thế giới kỹ thuật điện tửNếu có bất kỳ vi phạm bản quyền hoặc vấn đề nào khác, vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa bỏ.Để bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả khi in lại.