5G、Wi-Fi 7速度倍增背后,被忽略的「功臣」

5G、Wi-Fi 7速度倍增背后,被忽略的「功臣」

提到5G,许多人会马上想到速度快这个关键特性。

但你是否知道,5G以及Wi-Fi 6E、Wi-Fi 7这些最新一代的无线通信,为什么能实现媲美光纤的速度?

不少人会将原因归结为通信标准的演进,这固然没错,但不够深入和全面。实际上,5G、Wi-Fi 6/7速率能够大幅提升是得益于整个通信系统的升级。这就好比为了提升通信性能扩宽道路(引入新的频谱),将普通车道升级为高速路(增加新技术),用更多的车辆实现更高运输效率(尽可能利用更多频率、更高效率提升通信性能),最终让无线传输也能媲美有线传输的稳定性以及高速率和低时延。

以普通消费者最熟悉的智能手机来说,要支持最新一代通信技术需要硬件系统的升级,包含被广泛关注的调制解调器(我们常说的基带),还有经常被忽略的射频前端以及天线。

这听起会让人兴味索然,但实际上从调制解调器到天线的通信系统至关重要。如果没有射频前端,手机将无法工作,没有先进的射频前端,手机也没办法实现全球通信。

本文,我们就聊一聊让5G成为现实,让Wi-Fi 7速度倍增,但又容易被忽略的高价值射频前端(RFFE)。

5G、Wi-Fi 7速度倍增,射频前端是被忽略的功臣

什么是射频前端?射频前端就是调制解调器和终端天线间的一套射频组件,影响并管理无线发送和接收的全部信号。

5G、Wi-Fi 7速度倍增背后,被忽略的「功臣」

射频前端在4G时代之前,和移动通信一样不算复杂,只需支持屈指可数的几个不同的无线频率,只需要少量的射频元件和天线。

4G的商用,让移动通信的射频设计发生了根本性的变化。因为4G LTE要尽可能利用无线频谱,高效使用离散的频谱资源,改善无线连接及性能。这就类似于,要利用多车道容纳更多车辆,并且要实现更高的运输效率。

为了实现4G的目标,射频前端的无线信令和传输架构被重塑,并且增加了多项功能,比如载波聚合、高阶调制以及多入多出(MIMO)天线,射频前端的复杂性同时也呈现出几何级数式增长。

5G时代的来临,加深了射频设计的挑战。4G早期,一台移动终端需要支持的频段不到20个。无线频谱作为稀缺资源,全球各地对于无线频谱的分配各不相同,如今的5G时代,已经有超过10000个频段组合。

另外,为了实现5G高速率、低时延的目标,5G引入了毫米波频段(24GHz以上频谱),这是5G能够实现峰值速率超过7Gbps,媲美光纤通信的关键。

2020年2月,高通发布的骁龙X60 5G调制解调器,正是搭配高通射频及毫米波天线模组,实现了最高7.5Gbps的下载速度和3Gbps的上传速度,千兆级的速率及时延堪比光纤。一年后的高通骁龙X65调制解调器及射频系统,又将5G带入万兆级10Gbps时代。

5G、Wi-Fi 7速度倍增背后,被忽略的「功臣」

5G更多的频段组合,以及诸多新技术的引入,都让5G射频前端的设计面临前所未有的复杂性挑战,同时还有功耗和体积的限制条件。

与5G类似,无线局域网和Wi-Fi的复杂性也不断增加,Wi-Fi 6E的频率已经提升至6GHz,高通今年发布的全球首个Wi-Fi 7商用解决方案,能够同时利用5GHz和6GHz频段,高通1620专业联网平台最高峰值无线容量达33.1Gbps。

5G、Wi-Fi 7速度倍增背后,被忽略的「功臣」

Wi-Fi 7有效带宽是Wi-Fi 6的2倍,可用频谱将是Wi-Fi 6的3倍,Wi-Fi射频前端的设计同样面临前所未有的挑战。

5G、Wi-Fi 7速度倍增背后,被忽略的「功臣」

无论是5G还是Wi-Fi 6E和Wi-Fi 7高速率的实现,射频前端都是不可忽略的功臣。

5G和Wi-Fi 7时代需要怎样的射频前端?

5G和Wi-Fi 7射频前端复杂性的大幅增加,源于更多的频谱组合,以及众多新技术的引入。

前面提到的5G中引入毫米波技术就是一个例子,Wi-Fi也不例外,在Wi-Fi 6标准中,支持了包括MU-MIMO、OFDMA、TWT、WPA3在内的技术。

到了Wi-Fi 7时代,得益于更宽的信道和4K QAM调制技术,Wi-Fi得以获得更快的速度和更低时延的传输,还有Wi-Fi 7的三频连接技术,又将Wi-Fi的速度和体验推向新的高度。

通信技术的复杂度与射频前端复杂性是正相关关系,要解决5G和Wi-Fi 7时代射频前端复杂性的挑战,综合性的设计理念是关键所在,将数量繁多的组件以及各种特性和功能视为一个完整系统,进行端到端的设计,是解决5G射频前端设计挑战,以及提供有竞争力产品行之有效的办法。

5G、Wi-Fi 7速度倍增背后,被忽略的「功臣」

这也是为什么高通始终推出与调制解调器相匹配的射频系统的原因所在。

终端设备厂商可以自行设计5G射频前端,但并非所有终端厂商都愿意都如大量资源设计射频前端。在移动通信领域有丰富积累的高通,具备多领域的领先技术,能够提供领先的系统级解决方案。

比如,5G实现高速率的同时也会增加终端的功耗和散热,解决这一问题巧妙的解决方案之一就是包络追踪技术,通过极度精细地管理5G终端发射无线信号的功率,实现高能效。

相比仅采用传统普通功率追踪的终端,高通在业界率先推出的5G包络追踪技术能够实现卓越能效。引入高通第7代宽带包络追踪技术的高通骁龙X65调制解调器及射频系统,相比前代产品,能效提高30%,更节省手机空间,支持多个5G和4G功率放大器。

高通的AI天线调谐技术也是全球首个由AI辅助的5G自适应天线调谐解决方案,提升天线性能,能够为用户提供最佳信号。

今年6月,高通将其在智能手机从调制解调器到天线的领先优势扩展到其它领域,推出了全新Wi-Fi 7射频前端模组,这个扩展的产品组合面向蓝牙、Wi-Fi 6E和下一代标准Wi-Fi 7,适用于智能手机之外的众多快速增长的领域,包括汽车、扩展现实(XR)、PC、可穿戴设备、移动宽带和物联网等。

高通同样采用了综合性的设计理念,提供端到端的Wi-Fi 7射频前端方案。

5G、Wi-Fi 7速度倍增背后,被忽略的「功臣」

Wi-Fi SoC到天线的路径(简化)

Wi-Fi的前端模块(FEM)集成了功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、滤波器和开关,一个终端设备通常包括一个用于2.4GHz Wi-Fi和蓝牙的FEM,以及一个用于5-7GHz的Wi-Fi FEM。

Wi-Fi前端模块的作用在于,在接收(Rx)端,集成的低噪声放大器增强了微弱的传入射频信号,提高信噪比 (SNR),让设备对信号更加敏感。在发射(Tx)端,集成的功率放大器增强从Wi-Fi SoC传递的传出射频信号,有效使用功率的同时拓展传输范围。

为了实现最佳的模块性能,高通设计之初就充分考虑PA和LNA的高效协同工作。高通将PA和LNA集成到单个封装中,OEM能够灵活地将FEM放置在每个Wi-Fi天线旁边,这种布局灵活性可以实现最佳的电路板布局,还能通过最小化天线和放大器之间的走线长度,释放全部的射频潜能。

为了实现最佳的系统级性能,高通也通过协同设计,让Wi-Fi FEM、Wi-Fi SoC和互补的滤波器紧密协作,组合为一个最佳的解决方案。高通领先的端到端的Wi-Fi射频前端设计,也支撑了其Wi-Fi 7独特的高频多连接并发技术的实现。

面向手机之外的诸多快速增长的市场,高通还会修改IP,满足特定市场的需求,比如针对新型汽车市场的高通QXM1910 AQ解决方案。

还有不可忽略的一点,Wi-Fi除了需要和蓝牙和谐地一起运行之外,还必须与5G并发工作。高通最新推出的Wi-Fi 7射频前端模组,支持5G与Wi-Fi共存,与高通ultraBAW滤波器配合,支持5G/Wi-Fi并发,增强使用蜂窝网络终端的无线连接性能。

5G乘以Wi-Fi 6E/7的巨大应用空间

5G与Wi-Fi 6E/7的并发,将实现倍乘效应。

5G的普及,让XR以及元宇宙的实现成为可能。

而5G和Wi-Fi 7能够并发,将能够为终端设备提供更加稳定且高速的网络连接。让XR设备的体验更有保障,用户不用再担心因为有电话或者网络不稳定影响体验,VR在线游戏、VR直播将成为可能。在汽车上,同时拥有高速且稳定的5G和Wi-Fi 7连接,又将创造出怎样意想不到的体验?

5G叠加Wi-Fi 6E/7也将直接带动全球射频市场的高速增长。Gartner预测,到2026年射频前端市场规模将达到210亿美元,2019年至2026年间的复合年增长率为8.3%。

市场研究公司Yole Développement认为,有两个因素将导致所分析的连接性射频前端设备市场显着增长。第一个是特定设备的数量增长,例如可穿戴设备,第二个是为2×2和4×4 MIMO设备增加新的射频链,以及6GHz频段的射频链。

站在高速增长的射频前端市场中,高通也斩获不少市场。2021财年,高通技术公司在智能手机射频前端领域收入排名第一,2021年高通射频前端单元累计出货量达80亿个,其中单个组件出货量均超过3亿个。

高通将其从调制解调器到天线的优势从手机市场扩展至手机之外快速增长的市场,能够从众多快速增长的市场中获益。

过去,高通的潜在市场规模是150亿美元。

如今,高通的潜在市场规模已增长至1000亿美元,这主要得益于新增的旗舰级和高端Android终端、射频前端和汽车业务。

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