射频前端(射频前端芯片)

 

射频前端

什么是射频前端（RFFE）？与许多其他技术术语一样，术语 RF前端具有从窄到宽含义的几种不同定义。我将介绍我认为定义良好的两个不同版本的定义。

RF前端的定义如下：

通常将RF前端定义为天线与数字基带系统之间的所有部分。对于接收器而言，中间区域包括所有滤波器，低噪声放大器（LNA）和下变频混频器，这些混频器用于将天线接收的调制信号处理为适合输入到基带数模转换器（ADC）中的信号。因此，RF前端通常被称为接收器的模数或RF到基带部分。

根据此定义，大致将下图中灰色区域中的区域定义为RF前端。

根据参考文献，RF前端的另外一种陈述如下。

UE中的RFFE由许多关键组件组成：

天线和天线调谐器

频段选择，双工器：用于频率控制的滤波器，双工器，多工器和开关

发射机和RF功率放大器（Tx / PAs）

接收机和低噪声放大器（Rx / LNA）

基带和RF（混频器，下变频器等）部分是整个UE的关键组成部分，不属于RFFE的一部分

根据此定义，RF前端可以用灰色突出显示，如下图所示：

那么正确的定义是哪一个？ 两者都可以是正确的，具体取决于上下文。 当我在此页面中引用RFFE（RF前端）时，我个人使用第一个定义。 但是，大多数详细描述将围绕第二个定义的部分。

射频前端（RFEE）采用集成芯片的原因是什么？

在最新的无线电技术中，至少就蜂窝电话而言，移动电话中PCB（印刷板）的区域并不那么宽，如下图红色突出显示。 即使在有限的区域内，可分配给RF前端的空间也只是PCB的一小部分。 将所有分立的RF组件放置在该区域中非常困难（几乎不可能）。

您可能会说：最近我们看到手机尺寸越来越大的趋势。而且我们会为RF组件留出更大的空间。但是，这只是一方面。一方面，我们看到更大的设备，另一方面，由于更高的能源消耗要求，我们会看到更大的电池尺寸，并且手机要求支持更多频段（不同频率）以及更多的模式（GSM，WCDMA，LTE都在单个手机中）的要求也越来越高。因此，射频前端的空间仍然很小。

即使假设您有足够的空间以离散方式放置所有这些组件，您仍需要花费大量时间和精力来调整和匹配每个离散组件。 （当然，这种实现方式将为射频工程师创造最佳的工作市场：）

最好的解决方案之一是将所有这些组件放入一个或几个小封装中，然后像IC（集成电路）一样使用它们。据我所知，目前几乎所有的蜂窝手机设备都使用这种集成的RF IC（模块），而不是分立的器件。

射频前端的几种不同的实现方式

一旦所有（或大多数）RF组件进入芯片（或封装），将RF集成到设备（例如移动手机）中就好比数字嵌入式系统，而不是RF /模拟系统。我承认这么说可能过于简单化，可以用无线电堆栈硬件来说明现代移动手机的结构，如下所示。 如您所见，即使大多数分立的RF组件都是模拟器件，前端芯片组（或封装）也变得像数字芯片组。 它提供了与微控制器芯片组（在这种情况下为基带芯片）通信的各种控制和数据线。

上面显示的插图是最大程度集成RF前端的情况，其中所有RF组件（例如，PA，LNA，滤波器）和上/下频率转换器都集成在单个芯片中。对于必须设计和实现电路板的硬件工程师来说，这可能是最好的解决方案。但是，在某些情况下，我们将RF前端实现为两个芯片，如下所示。在这种类型中，纯RF组件（放大器，开关/双工器/双工器）集成在与上/下频率转换器芯片组集成在不同的芯片组中。与以前的体系结构相比，这种类型的体系结构会增加一些复杂性，但是这种类型的体系结构有一定的灵活性。一家公司很难在每个领域都做到最好。可能有一家公司更专注于上/下变频器和DAC / ADC部件，而另一家公司更适合纯RF模块。通过采用这种架构，我们可以更好地优化硬件性能。或者在某些情况下，如果您足够擅长与两个不同的组件供应商讨价还价，则此体系结构还可以节省硬件成本：)。

通过进一步扩展上述逻辑，我们可以考虑在单独的芯片集中使用Tx RF模块（PA模块）和Rx RF模块（LAN），如下图所示：

复杂性成爆炸式增加？

您可能会轻易猜到，就射频无线电堆栈而言，现代手机的功能已变得极为复杂。这些复杂性的驱动力可以列举如下：

多模式：单个UE在不久的将来需要支持多种无线电技术，例如GSM / GPRS，UMTS（WCDMA，TDSCDMA），LTE和5G / NR

更多（更高）劫的MIMO：2x2、4x4甚至8x2下行MIMO，并可能在5G / NR中提供更多MIMO。

更多CA（载波聚合）：LTE中的2CC，3CC，4CC，5CC CA，5G / NR规范中的16CC CA。

更多频段：WCDMA中约有10个不同的频段，LTE中数十个/不断增加的频段，以及GSM / GPRS中的其他频段。

无线电堆栈的这些复杂性如何影响RF前端结构的复杂性？说到复杂性，我们可能会想到上/下频率转换器和ADC以及纯RF部分（PA，LNA，滤波器开关）的复杂性。即使无线电堆栈的复杂性会导致两个部分的复杂性，对纯射频部分的影响也会更大。因此，让我们在这里考虑对纯射频部分复杂性的影响。

首先，让我们考虑添加更多MIMO / Diversity（分集）功能并猜测RF部分如何变得复杂的情况。您可以直观地想到如下所示的进步。

现在考虑添加更多无线电技术或频段的情况，看看这对射频部分复杂度的影响。 这种进展可以说明如下。

现在您脑海中浮现出一个问题？ 如果我们同时添加更多的MIMO和更多的频段怎么办？ 您可以很容易地猜到，其中的一个解决方案如下所示。

总结上面提到的所有内容，就RF前端的复杂性和导致复杂性的因素而言，我们可以得出一个简单/说明性的结论，如下图所示：

那么您会想到另一个问题吗？这种复杂性会达到某个最高点而使我们不能添加更多功能了吗？

如果您只是想按上述方式线性放置组件，则可能无法在小型前端芯片组中添加更多零件。但是，我们始终见过非常伟大的思想，几乎克服了工程学中的所有障碍。它也适用于这个领域。 RF前端制造商付出了很多努力来优化和简化前端设计，甚至具有更多功能。下面是一个示例。该示例显示了将PA，开关和滤波器集成到三个覆盖低（a）中（b）和高（c）频段的前端模块的示例。考虑到它支持的频段数量，您会发现它比您想象的要简单。

有防止复杂性爆炸性增长的方法吗？

如上所述，随着我们在前端模块中增加了更多功能，人们为降低复杂性付出了很多努力。有什么想法可以实现这个目标？几个想法如下。其中一些方法已在使用中，而某些方法还处于研究阶段。

天线的可调匹配电路：通过使用可调匹配电路，可以减少天线和开关的数量。

多模放大器和放大器共享：通过使用那些可以支持多模的放大器（例如，多种无线电技术，例如GSM，WCDMA，LTE），并通过共享多个频段/模式的放大器，我们可以降低射频前端的复杂性。

可调滤波器：截至目前，这仍然是一个``愿望清单，而不是已实现的目标。关于可调滤波器，已经有一些想法，但尚未达到SAW / BAW / FBAR滤波器的性能标准。

先进的封装：随着每个RF组件技术的发展，每个分立组件的尺寸会越来越小，但是随着我们在芯片中放置越来越多的部件，就需要更多的空间将它们连接在一起。结果，布线/接合空间成为问题。我们期望出现更多有关射频封装的想法，以最大程度地减少这些问题。

互联网小常识：交换机的交换模式主要分静态交换和动态交换，动态交换又分为快速转发、碎片丢弃和存储转发。三个的转发时机分别为：获得目的MAC后（14B），获得前64B后，获得整个数据帧。

免责声明：本站所有信息均搜集自互联网，并不代表本站观点，本站不对其真实合法性负责。如有信息侵犯了您的权益，请告知，本站将立刻处理。联系QQ：1640731186