射频前端设计挑战加剧高通为终端生态带来价值近日

近日， CCS Insight发布了《射频前端的发展让5G手机成为可能》的报告，分享了射频前端设计复杂程度的演变及其背后的原因，以及芯片行业在应对这种复杂性并持续改善用户体验方面做出的努力。报告指出，为了应对向5G演进过程中射频复杂性的指数级增长，传统的芯片制造商高通公司已经将射频元器件和技术方案组合在一起，为智能手机制造商提供一个成熟的调制解调器到天线的射频解决方案。这种新颖的策略为终端生态系统带来了巨大的价值，并帮助手机制造商节约了射频工程资源。
射频设计的复杂性
十年前，蜂窝设备的射频（RF）设计开始发生根本性的变化，为目前的射频前端，即智能手机中调制解调器和天线之间部分的日益成熟铺平了道路。当时全球正在经历从多种零散的3G全球蜂窝技术到统一的4G无线标准这一重要过渡阶段，也就是所谓的长期演进（LTE），迈出了改进蜂窝通信标准以充分利用无线频谱资源漫长旅程中的第一步。
4G LTE的面世需要一套新的无线技术，以尽可能的利用可用的蜂窝无线频谱，并最高效地使用离散的频谱资源。为了实现这一目标，射频工程师从根本上重塑了射频前端的无线信令和传输架构，增加了载波聚合（Carrier Aggregation）、高阶调制（Higher-Order Modulation）和多入多出（MIMO）天线等主要功能。通过整合更多的无线频谱来整体改善无线连接及性能，移动设备中的射频设计也因此变得相当复杂。
本系列由三部分组成，旨在解密射频前端（RFEE）设计及技术如何促使5G智能手机的面世；探讨为何手机中的射频前端设计变得如此复杂；审视射频前端架构，描述芯片行业如何应对这种复杂性并能持续改善用户体验。
sophistication射频前端之谜
进入4G时代之前，蜂窝无线电设计是一个相当简单的事情。传统的射频前端只需支持屈指可数几个不同的无线频率，从而只需要少量的射频元器件和天线来提供下行和上行的功能。但是随着行业开始4G的长期演进，射频前端设计必须能够快速扩展，以满足全球各地无线蜂窝应用对频谱增加的需求。
时至今日，在4G和5G手机中看到支持超过20个频段及多个天线的射频前端设计已不罕见。与3G相比， 4G起步阶段面对的复杂情况造成了射频前端部分的几何级数式增长。随着行业向5G过渡，射频设计的挑战更加复杂，给设备制造商带来了抑制射频复杂性再一次指数级增长的艰巨任务。事实上我们的研究表明，在智能手机的物料（BOM）成本构成上，射频前端部分上升幅度最为显著。而相比射频前端部分成本和复杂度的增长，其他功能区的成本和复杂度仅有小幅增长。
最新的5G射频前端设计必须支持新的、更高带宽的5G频率，以及越来越多的LTE频段组合以应对更高的网络需求。因为大多数5G网络推出时使用的是非独立组网5G；这意味着同时激活两套不同的无线信号，即5G和4G ，它们具有不同且独立的射频链接。
5G标准也助力迎来新的、尚未使用过的24GHz以上频谱，通常被称为毫米波频段。这些频段的频宽高达1GHz ，使无线数据传输的峰值速率超过了7Gbps 。但为了实现这种速率，设备设计牺牲了信号覆盖；5G毫米波的接收和传播在实际应用中更加困难，这也迫使新的无线电技术，如波束成形和波束转向的应用以产生可用的毫米波5G连接。
随着5G手机中的无线频段和射频元件的数量的增加，设计一个同时支持三代蜂窝无线技术的射频前端变得更加困难。下表说明了随着3G、4G和5G网络中支持的频段数量的增加，导致射频部分复杂性的失控式增长；对比11年前三星Galaxy系列的第一代设计，我们可以看到伴随每一次移动网络的迭代而带来支持更多射频频段的需求，以及不断增加的无线带宽对射频前端设计要求的提高。这意味着手机厂商需要着重致力于在控制成本膨胀而产品体积受限的情况下设计出更高性能的射频前端。

射频前端设计挑战加剧 高通为终端生态带来价值

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