5G升級(jí)，這些背后的變化你知道嗎？

“從 2G 到 3G，3G 到 4G，以及從 4G 到 5G，對(duì)普通大眾而言，這僅僅是簡(jiǎn)單的數(shù)字增加，實(shí)際上這涉及到了調(diào)制方式根本性的改變。”

是的，對(duì)于 Qorvo 亞太區(qū)市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理 Lawrence Tao（陶鎮(zhèn)）這樣的從業(yè)者而言，4G 升級(jí)到 5G 的數(shù)字游戲并非表面上的“+1”，而是在其背后諸如 64-QAM 到 256-QAM 這樣更深層次的改變，這是讓 5G 發(fā)揮威力的關(guān)鍵所在。

從 64-QAM 到 256-QAM 的背后

QAM 是 Quadrature Amplitude Modulation 的縮寫(xiě)，是一種在兩個(gè)正交載波上進(jìn)行幅度調(diào)制的調(diào)制方式，代表著設(shè)備在連接時(shí)的數(shù)據(jù)吞吐。

QAM 發(fā)射信號(hào)集可以用星座圖來(lái)進(jìn)行表示，由于數(shù)字通信中數(shù)據(jù)常采用二進(jìn)制，因此星座點(diǎn)的個(gè)數(shù)一般是 2 的冪，常見(jiàn)的 QAM 形式有 16-QAM、64-QAM、256-QAM 等。2 的冪越大，同一個(gè)符號(hào)攜帶的信息就越多，因此傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱蟆?/p>

4-QAM、16-QAM、64-QAM 星座圖

大家已經(jīng)知道 256- QAM 會(huì)比 64-QAM 有更高的數(shù)據(jù)傳輸量，而 5G 通信要求有 256- QAM，未來(lái)甚至是 1024-QAM。這樣的要求給射頻器件提出了新的難題，再加上頻譜增加和頻譜兼容，要實(shí)現(xiàn) 5G 通信，射頻器件的壓力可想而知。

陶鎮(zhèn)認(rèn)為，這是從通信基本原理的角度去解釋 5G，對(duì)功率放大器有很大的影響。他表示：“調(diào)制方式越復(fù)雜，意味著它對(duì)線性化設(shè)計(jì)的要求越高。從整個(gè)系統(tǒng)鏈路級(jí)的角度來(lái)看，功率放大器是最后一級(jí)，最主要是用來(lái)放大信號(hào)的。但除此之外，功率放大器還要保證信號(hào)不失真，因此線性指標(biāo)是功率放大器設(shè)計(jì)的最重要指標(biāo)之一?！?/p>

也就是說(shuō)，5G 所要求的 256- QAM 能夠傳輸更多的信息，功率放大器既要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)還要不失真，設(shè)計(jì)上的困難是顯而易見(jiàn)的?！皩?duì)功率放大器而言，效率和線性度是成反比的。當(dāng)你效率做的很高時(shí)，線性度就會(huì)變差；而當(dāng)你提高了線性度，那么效率可能會(huì)下降。但 256- QAM 對(duì)于 5G 時(shí)代的功率放大器而言是硬性指標(biāo)，3GPP 的規(guī)范和運(yùn)營(yíng)商的入網(wǎng)測(cè)試同樣是硬性指標(biāo)，為了完成這些指標(biāo)，某些性能可能會(huì)妥協(xié)，比如效率上的妥協(xié)?！?陶鎮(zhèn)講到。

為了實(shí)現(xiàn)更好的線性度而選擇在效率上做了妥協(xié)，GaN（氮化鎵）的利用則是一種彌補(bǔ)方式。

由于 GaN 的禁帶寬度（3.4eV）是普通硅（1.1eV）的 3 倍，擊穿電場(chǎng)是硅材料的 10 倍，且功率密度更高，因此 GaN 器件將會(huì)有更高的工作頻率、更大的帶寬和更高的效率。

陶鎮(zhèn)指出：“傳統(tǒng) LDMOS 工藝的功率放大器，在中低頻率的時(shí)候還能做到很好的帶寬和很好的線性度。但當(dāng)頻率比較高，達(dá)到 3.5GHz 以上的時(shí)候，LDMOS 工藝的功率放大器并不能實(shí)現(xiàn)很好的性能，因此就需要引入 GaN 這樣的工藝?！?/p>

從這個(gè)角度不難理解，從 3.5GHz 到未來(lái)的毫米波，GaN 并非是作為 LDMOS 的替代者，而是一個(gè)新市場(chǎng)的開(kāi)拓者，是在做增量市場(chǎng)。

不過(guò)，陶鎮(zhèn)強(qiáng)調(diào)，如果單純看手機(jī)市場(chǎng)的話，目前還是會(huì)以 GaAs（砷化鎵）的功率放大器為主。

GaAs 具有高頻、低雜訊、高效率及低耗電等特性，在 4G 時(shí)代迎來(lái)應(yīng)用的大爆發(fā)，在 GaN 成本居高不下的時(shí)候，GaAs 不失為一種緩沖方案。

天線陣列是另一個(gè)維度的游戲

在 5G 普及的過(guò)程中，提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量是必須要有的一步，因?yàn)?5G 三大應(yīng)用場(chǎng)景之一的 mMTC 就是廣連接，連接數(shù)將達(dá)到 4G 的 100 倍，這樣的需求是現(xiàn)有 4G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多天線技術(shù)無(wú)法滿足的。

5G 的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)就是大規(guī)模天線技術(shù)（Large Scale Antenna System，或稱為 Massive MIMO）。想要了解 Massive MIMO 技術(shù)，首先需要搞清楚什么是波束成形。

波束成形是天線技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合，目的用于定向信號(hào)傳輸或接收。從基站方面看，這種利用數(shù)字信號(hào)處理產(chǎn)生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線方向圖的構(gòu)造。有了波束成形技術(shù)，發(fā)射能量可以匯集到用戶所在位置，而不向其他方向擴(kuò)散，并且基站可以通過(guò)監(jiān)測(cè)用戶的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使最佳發(fā)射方向跟隨用戶的移動(dòng)，保證在任何時(shí)候手機(jī)接收點(diǎn)的電磁波信號(hào)都處于疊加狀態(tài)。

大規(guī)模天線陣列正是基于多用戶波束成形的原理，在基站端布置幾百根天線，對(duì)幾十個(gè)目標(biāo)接收機(jī)調(diào)制各自的波束，通過(guò)空間信號(hào)隔離，在同一頻率資源上同時(shí)傳輸幾十條信號(hào)。

陶鎮(zhèn)表示：“4G 基站需要的天線配置為 2*2，也就是 2 根接收天線和 2 根發(fā)射天線，而應(yīng)用于 5G 的 massive MIMO 基站則需要 32 發(fā)射和 32 接收，甚至更多。massive MIMO 基站從基站側(cè)的角度來(lái)說(shuō)，是提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量，提升用戶的下行、上行速率的最主要的一個(gè)改進(jìn)方式?！?/p>

在此，簡(jiǎn)單提及一下 massive MIMO 帶來(lái)的積極改變。massive MIMO 提供比 MIMO 更多的空間自由度，帶來(lái)了空間分辨率提升，通過(guò)合成虛擬孔徑的方式獲得更多的角度分辨率；信道參數(shù)將會(huì)從原有的具有隨機(jī)性變?yōu)橹饾u變?yōu)榇_定性；理論上能夠?qū)崿F(xiàn)了更低的單天線發(fā)動(dòng)功率。

不過(guò)，massive MIMO 也給射頻器件帶來(lái)很多難題。首先，采用 3D 陣列部署天線波束對(duì)齊問(wèn)題就是一大挑戰(zhàn)；其次，大量使用模擬元器件必然會(huì)帶來(lái)非理想失真；第三，massive MIMO 一直以來(lái)都存在的導(dǎo)頻污染……

陶鎮(zhèn)談到了 massive MIMO 的復(fù)雜性，“massive MIMO 意味著每個(gè)天線都有一個(gè)鏈路通道，比如 64T64R 就意味著整個(gè)天線陣列需要有 64 個(gè)完整的射頻前端鏈路，也就是基站里每個(gè)鏈路都要有放大器、濾波器、變頻器、匹配電路，以及接觸鏈的第三方。從這個(gè)角度講，5G 基站使用射頻器件要比 4G 基站多很多?！?/p>

另外，他講到：“其實(shí)在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)里面，如果單純講毫米波，其實(shí)波束成形是有專門(mén)的芯片在做?，F(xiàn)在傳統(tǒng)的做法是，在整個(gè)系統(tǒng)里面有專門(mén) MIMO 芯片連接外面的射頻器件。Qorvo 的做法是將它們集成到一個(gè)模塊里，以此來(lái)提升性能。Qorvo 認(rèn)為，射頻前端模塊的持續(xù)整合加上自屏蔽模塊的應(yīng)用將是未來(lái)射頻前端的重要發(fā)展趨勢(shì)?！?/p>

集成化是大勢(shì)所趨

近年來(lái)，從分立器件到 FEMiD（集成雙工器的射頻前端模塊，F(xiàn)ront-End Module with Integrated Duplexer），再到 PAMiD（集成雙工器的攻防模塊，Power Amplifier Module with integrated Duplexer ），射頻前端集成化的趨勢(shì)愈加明顯。

陶鎮(zhèn)表示：“目前 Qorvo 的產(chǎn)品全部同時(shí)集成了自屏蔽和 LNA，并支持 5G 頻段。Qorvo 的高度集成模塊具有支持針對(duì)早期部署重新分配的 5G 新頻段所需的全部 RF 前端（RFFE）功能，包括濾波、發(fā)射 / 接收開(kāi)關(guān)、功率和低噪聲放大功能，且有些情況下還包括天線開(kāi)關(guān)功能?！?/p>

針對(duì) 5G 頻段，陶鎮(zhèn)進(jìn)一步講到：“Qorvo 的 5G 產(chǎn)品組合能夠支持 n77、n78 和 n79 的全部頻段，所以在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)里，Qorvo 提供的是全系列的解決方案?！?/p>

對(duì)射頻器件占比最大的手機(jī)和通訊市場(chǎng)，集成化同樣是大勢(shì)所趨。對(duì)于智能手機(jī)而言，一方面全面屏、多攝像頭等發(fā)展趨勢(shì)壓榨了射頻器件的空間，另一方面頻段增加則要求手機(jī)內(nèi)搭載更多的射頻器件，因此手機(jī)廠商也期望能不斷提高前端中的射頻器件集成度。

“手機(jī)射頻前端這一塊，我們不僅提供功率放大器、開(kāi)關(guān)這樣的主動(dòng)器件，還有濾波器、雙工器、多工器等被動(dòng)器件，我們主推模塊化產(chǎn)品。因?yàn)?，集成式的模塊中，性能上經(jīng)過(guò)我們的匹配優(yōu)化能夠達(dá)到最佳性能，尺寸上相較于單獨(dú)的功率放大器和濾波器面積縮小很多，也大大地降低了手機(jī)廠商的研發(fā)和調(diào)試時(shí)間?！?陶鎮(zhèn)說(shuō)到。

結(jié)語(yǔ)

正如文首提到的，從 4G 到 5G，并不是簡(jiǎn)單的+1,而是射頻器件在在愈發(fā)狹小的空間里堆疊更多器件的“變態(tài)挑戰(zhàn)”，當(dāng)然也是巨大的歷史機(jī)遇。

據(jù)法國(guó)調(diào)研機(jī)構(gòu) Yole 的預(yù)計(jì)，受益 5G，射頻前端市場(chǎng)有望從 2016 年 101.1 億美元增長(zhǎng)到 2022 年的 227.8 億美元，6 年復(fù)合增速 14.5%。在這高速增長(zhǎng)的市場(chǎng)中，憑借 IDM 模式帶來(lái)的資源整合優(yōu)勢(shì)，以及對(duì)集成化的積極倡導(dǎo)，Qorvo 正積極參與 5G 升級(jí)這場(chǎng)不一樣的“數(shù)字游戲”。
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