頻寬創新核心—整合型AFE迎接5G設計挑戰

作者 : Steve Taranovich,EDN資深技術編輯

隨著5G設計不斷地縮小,先進封裝和整合的AFE/RFFE模組化將越來越接近現實。預計在不久的將來,隨著採用兆赫茲(Thz)頻率的6G推出,我們還將看到尺寸更小的AFE外形⋯

類比前端(AFE)也稱為射頻前端(RFFE),是一種透過整合高速放大器、接收類比數位轉換器(ADC)和發射路徑數位類比轉換器(DAC)以及不斷縮小的高頻濾波器設計而使用智慧分區架構的元件。AFE解決方案可用於5G基地台和手機中。

更具體地說,在5G設計中,需要使用AFE以多輸入多輸出(MIMO)配置來支援多個發射路徑和接收路徑。因此,無疑地,5G日益增加的複雜性,限制了具備開發此類複雜射頻(RF)子系統專業知識的製造商數量。然而,與此同時,隨著5G設計的成熟,越來越多的供應商正在加緊因應AFE的挑戰。

這是因為5G網路將在小型、微型、微微和毫微微蜂巢式裝置中部署大量基地台,從而支援適當的用戶覆蓋範圍,因此,RF設計也就迎來了巨大機遇。5G網路還需要做到比2G、3G和4G更高的整合度和小型化,從而降低功耗和成本。

5G技術的一個關鍵方面在於其支援物聯網(IoT)和工業物聯網(IIoT)應用的能力(1)。AFE是這種頻寬創新的核心。5G網路中增加的AFE頻寬不再像以前的蜂巢式網路那樣只服務於手機;相反地,5G甚至可以用於提供筆記型電腦和桌上型電腦的網際網路服務。

圖1:5G的第16版中導入了新的功能,同時將5G AFE設計標準提升至全新的層次。(圖片來源:3GPP)

5GAFE設計挑戰

5G旨在支援更高的數據速率和更大流量;除此之外,在大幅成長的連網裝置中增加5G,能夠滿足非常多樣化的用例和要求。為了滿足無線數據流量性能的巨大提升,頻譜效率和重複使用、更高的速度和更低的延遲,正成為AFE設計的主要考慮因素。

頻譜效率和重複使用

雖然6GHz以下頻譜充斥著多種無線應用,但6GHz以上頻譜,尤其是毫米波(mmWave)頻段,因其可用頻寬較廣而備受關注。

為了支援在戶外區域最具挑戰的毫米波頻段進行傳輸,AFE的任務是改善高路徑損耗、高氧氣和水分吸收、透過樹葉的損耗以及因雨而引起的訊號衰落。為了克服毫米波頻率中所有這些不利的通道特性,延長傳輸距離並提高服務覆蓋範圍,波束成形和波束追蹤是用於AFE設計中兩項最關鍵的技術。

速度

速度是AFE設計中的另一個關鍵因素。5G AFE架構的運行速度高於之前的2G、3G或4G系統。目前的5G系統比4G LTE更快十倍。5G的最高速度為10Gbps並具有達到20Gbps的強大潛力,相形之下,4G LTE的運行速度為1Gbps,3G的速度為42Mbps,2G的速度則為0.3Mbps。

延遲

5G的RF前端架構中具有新的元素,這將提供更快速的存取和低延遲。5G AFE的延遲問題比以前的3G和4G版本都重要得多。5G的最小延遲時間為1ms或更小。另一方面,4G系統的延遲為50ms到98ms,3G系統為212ms,2G則高達629ms。

這就是新的5G服務現在使用超可靠低延遲通訊(uRLLC)功能的原因,這在自動駕駛車、機器人控制、工廠自動化和車聯網(V2X)通訊中的關鍵任務應用中特別需要。

迎接AFE設計挑戰

RF晶片製造商已經使用新的AFE/RFFE來迎接這一5G設計挑戰(2)。這些AFE/RFFE中的數據轉換器支援mmWave頻段中可用的通道頻寬,這將為RF架構的通用化提供機會,進而有望透過將數位/類比鴻溝移近到天線而降低RF電路的複雜性。

2AFE7988/89的功能方塊圖突顯了5G設計中RF整合的新高度。(圖片來源:TI)

例如,ADI推出針對大規模MIMO(M-MIMO)無線電的AD9081和ADR554x RF前端,如3所示。這些AFE極大地增加了在多個頻段中同時運行的收發器通道數量,同時將所有必要的硬體壓縮到了更小的外形尺寸中。

3:整合式雙通道架構可讓RF設計人員快速擴展其MIMO容量,以滿足5G頻寬需求。 (圖片來源:ADI)

顯然地,由於需要支援的天線和頻段數量眾多,以及需要對大量裝置實現足夠的覆蓋範圍,5G收發器必須充份利用整合優勢,以降低功耗和成本(4)。

45G AFE有四個TX/RX通路以及一個觀察通道。(圖片來源:Synopsys)

5G AFE/RFFE的RF採樣到天線的距離越來越近,並將簡化和縮小無線電的外形尺寸,從而實現更高度的整合。這反過來又使5G基地台和智慧型手機設計中的直接RF採樣成為現實。

因此,隨著5G設計不斷地縮小,先進封裝和整合的AFE/RFFE模組化將越來越接近現實。接下來,在不久的將來,隨著採用兆赫茲(Thz)頻率的6G推出,我們還將看到尺寸更小的AFE外形。

(參考原文:5G RF front-ends: Design challenges and their solutions,by Steve Taranovich)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年9月號雜誌

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