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5G 相比4G,射频前端差异点------零碎记01

热度 10已有 738 次阅读2020-9-10 17:13 |个人分类:设计|系统分类:芯片设计

5G 相比4G,射频前端差异点------零碎记01

 

AI;">    Tx(Transmitter, 发射机)的带宽在5G中可以达到100MHz,但是现在的技术并不能满足这么高的带宽,例如包络检测只能支持60MHz带宽。对于5G系统来说,一些低效率技术,例如平均功率检测会更加适合。这些早期的5G RFFE模组更有可能使用宽带技术,需要在原有的4G基础上使用支持sub-6GHz的滤波器。为了实现多频带滤波,滤波器会是多个模块的复杂组合,如表面声波(SAW),体声波(BAW)和薄膜体声波(FBAR)滤波器模组等。

 

针对5G硬件, Power Class 2 规范允许输出功率可以达到26dBm,是之前的Power Class 3所规范的功率的两倍。

 

4G向5G的转变绝不仅仅体现在带宽的拓展和网速的提高。2017年12月的3GPP R15给出了非独立组网NSA 5G NR标准,适用于大部分早期5G网络。NSA是在LTE的基础上并入5G NR频段,不需要单独铺设5G专属的核心网络。而5G独立组网将会采用完全的5G网络。5G具有更快的数据速率,但是时序和带宽与LTE仍然类似,不过延迟要求大大提高,因此对于天线开关和天线调谐器的速度要求可能比4G LTE高十倍。 5G的带宽可以高达100MHz,是LTE带宽的五倍,因此对于RF子系统来说,带宽的拓展会带来一系列的要求和变化。

 

NSA 5G NR中加入了sub-6GHz频段,因此射频硬件也需要可以支持新的n77,n78和n79波段。虽然NSA 5G NR中没有明确规定,但是在最终版本中5G很有可能支持小于600MHz的低频段,来满足大规模的低功耗连接,例如IOT、工业4.0/工业IoT以及其他机器类通信。5G带来的新的子载波信道、宽带、载波聚合和4x4 MIMO 标准会带来大量滤波器、天线、低噪放、功放、开关在模组和收发机中的变化和新应用。5G频段的紧凑型和有限的空间设计都会给硬件设计带来不小挑战。RF硬件尤其是天线在小型终端设备中已经被挤压到了很小的空间中,但是5G标准要求下行4x 4 MIMO和上行2 x 2 MIMO,也就是说要有6个独立的RF信号路径。5G天线调谐技术在宽带宽上最大化天线辐射效率会非常关键。NSA 5G NR目前支持单个载波上的100 MHz带宽,具有更多CA选项(R15之后会多达600个种载波组合形式),因此相比于4G LTE,这些RF路径必须要要做的宽很多。NSA 5G NR还允许200 MHz上行链路和400MHz下行链路的带宽,要处理大量数据,对终端和基站的能效都提出了更高要求。

 

为了满足5G吞吐量需求,双连接是必要的。5G NSA支持4G LTE 和5G 双连接,运营商会对4G FDD-LTE 和5G 频段进行合并,NSA标准允许手持设备发射一个或者多个LTE频段信号的同时接收5G频段信号,谐波信号的存在会增加对接收机灵敏度的要求。举个例子,当LTE 1, 3, 7,20以及5G的n78波段进行载波聚合时,由于n78频率高且带宽很宽(3.3-3.8 GHz),LTE频段的谐波可能出现在n78波段范围内,如果不进行适当的信号衰减,就会造成接收机灵敏的劣化。如果加入滤波器可以解决这个问题,但是也会带来插入损耗,相应的对PA的输出功率要求更高。 双连接带来的其他设计变化,如配两根主天线,同时LTE和5G同时传输会造成额外的电源管理问题,因此需要额外的DC变换器,对手机空间同时也造成影响。

 

 

4G对于MIMO的要求是选择性的,5G对于1GHz以上下行链路4x4 MIMO则是必须要求,新增加了n77波段并对LTE频段重耕,例如原有的4G Band 3 重耕为5G NR n3。4G LTE的接收分集是两个接收路径,到了5G则需要4G接收路径。对于已经支持4G LTE MIMO的手机来说,这个要求不会造成很大变化,而对于目前不支持4G LTE MIMO的手机来说则增加了RF的复杂性和天线的带宽,也就是说需要4个单独的RFFE路径和4个天线。如果考虑到2x2 MIMO上行链路对应的n77,n78,n79和n41波段,这个问题会更加复杂。

这种架构的变化带来的首先是天线调谐器重要性的加强。如今的智能手机越来越依赖于天线调谐技术来提高发射效率,在5G过渡的过程中,天线调谐技术会更加重要,天线的数量在有所保证的前提下,每一个天线都要保证宽频下的高效率。双工信号在如今手机中应用很广泛,但是5G会引入新的信号路径分配的复杂性。在高频波段信号配合双连接上行链路的要求下,信号到天线的路径分配会产生重大变化。直接双工器将会被高性能天线复用器取代,这些天线复用器可以使得连接数最大化,同时也可以满足严格的载波聚合抑制要求,同时保持低插入损耗。 RF的复杂性要求在提高,但是空间上的分配却不会增加,因此射频前端会采用模组化来节省面积,射频前端模块将会同时集成PA、开关、滤波器、LNA等等。

 

在如今LTE高端型手机中,多采用的是包络追踪技术来配合PA降低功耗。包络追踪技术可以通过追踪射频信号能量,来不停地调整PA的电源电压,从而优化PA效率。但是包络追踪目前的技术只能支持到60MHz带宽,在5G n77和n79波段进行载波聚合后可以达到100MHz带宽,包络追踪技术此时无法满足带宽要求。因此PA需要工作在平均功率跟踪(APT)固定电压模式下,来支持宽带的5G传输,同时PA的效率会下降。

 

这是由于5G增加的新波形,CP-OFDM与大量信道组合具有更高峰值平均功率比(PAR),所以在5G PA中实现更大的回退(backoff)。工作在回退模式意味着必须降低PA的最大输出功率,以便使整个信号在PA传递曲线的线性区域范围内。这样做会给PA的线性度和效率的折中带来更大的困难。

 

5G RFFE还可能需要支持LTE中与5G FR1重合的频率,对LTE向下兼容。考虑到电池寿命,手机制造商希望尽可能使用ET来保证PA效率,这意味着使用ET进行LTE传输和采用60 MHz带宽的5G信号。 因此,PA在ET模式下工作时必须提供高饱和效率,在APT模式下则必须具有高线性效率。 在宽带APT模式和相对窄带的ET模式下PA的的工作模式,给RFFE供应商带来很大挑战。此外,在ET和APT模式之间切换需要复杂的电源管理。

先行的5G模组可能只在特定的频段工作,只满足最终版的5G部分要求。但是5G基站中,对应eMBB和工业及汽车应用,必须是在各个标准中相互兼容的,也就是说5G RF硬件必须能够服务5G FR1和5G毫米波FR2频段。

 

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