談一談第一代5G手機的射頻設計

轉自公眾號“IHSMarkitTMT” 文/ Wayne Lam

5G智能手機的市場反應能力在這一個新的無線技術的轉型初期是前所未有的，與之前的4G LTE演進不同, 更多的手機廠商會第一時間將新設備提供給客户；不僅是關鍵的調制解調器套片與射頻前端(RFEE)元器件在設計週期的早期階段就可以提供給廠商， 還因為這些解決方案都是完整的“調制解調器到天線”設計，從而進一步加快初代5G智能手機投放市場的速度。

本文將進一步探尋射頻技術與元器件如何支持5G設備，從而能在5G網絡生命週期中儘早投放。作為IHS Markit Technology 對5G網絡與設備性能“前瞻性研究”的一部分，我們評估的至少6部初代5G智能手機，並進行了徹底的拆解分析以確定5G無線核心元器件與系統設計。這批5G智能手機分別來自三星、LG、小米、Oppo、一加以及華為。

圖 1 – 拆解分析的初代5G智能手機樣本

通過深入研究這些智能手機的初代5G設計，我們開始瞭解其中的主要元器件以及5G調制解調器和射頻前端的供應商選擇。在評估的六個手機品牌中，絕大多數（六分之五）5G部分設計由高通提供，其中三星Galaxy S10 5G的某個版本使用了Exynos（三星LSI）解決方案，而華為Mate 20X 5G則使用了自主研發的調制解調器方案（華為海思 巴龍5000）。這兩個“獨佔”的調制解調器供應商通常是行業規則或規範的例外。研發調制解調器和射頻前端需要投入大量資源。但很明顯，三星和華為憑藉其驚人的規模和經營範圍可以負擔得起垂直整合5G設計的投資。

在5G生態系統的商用方面，高通在2016年率先發布的驍龍X50調制解調器獨領風騷。時至今日，還沒有其他商用調制解調器廠家的5G芯片進入智能手機。聯發科與紫光展鋭（展訊）都已發佈其第一代5G芯片組，但還沒有被任何知名廠家應用在智能手機設計中。此外值得注意的是，英特爾最近將其智能手機調制解調器部門出售給了蘋果（英特爾4G LTE調制解調器芯片的唯一客户），將商用調制解調器領域的供應商縮減至三家。

隨着智能手機行業的成熟和鞏固，只有像蘋果，三星和華為前三大廠商體量的廠商才有足夠的資金投入研發自有芯片組。市場中的其他廠商，包括小米，Oppo和Vivo等大型廠商均是採用商用調制解調器供應商經過驗證的射頻設計。憑藉高通在5G領域的前期領導地位，這些智能手機廠商可以使用高通成熟5G商用解決方案更好地與三大巨頭競爭。這種採購策略讓手機廠商更專注於產品創新和市場差異化，而不是將有限的資源投入到核心5G調制解調器與射頻前端技術研發。

分立元器件與射頻前端越來越緊密的結合為5G鋪設道路

就像近十年前的4G，LTE連接建立在已有的3G技術之上一樣；早期的5G功能通過添加獨立的芯片組到現有的LTE設計中實現。這意味着5G組件基本上像是用螺栓外掛在智能手機設計上，而不是被融合進核心芯片組中。 這不僅是為了加速智能手機的上市時間，還要通過重複使用現有的成熟設計來降低開發風險。

以下功能框圖描繪了IHS Markit為本文評估的六部5G智能手機從調制解調器到天線的的核心電路設計及其之間的共性。

圖 2 – 採用分立式5G調制解調器和射頻前端的第一代5G設計

圖 3  - 使用高度集成的射頻前端天線模塊的第一代5G毫米波版本智能手機

根據以上兩張功能框圖推斷，第一代5G設計本質上是附加性的.  設計中存在分立的5G組件，例如單模5G調制解調器，5G射頻收發器和單頻段5G 射頻前端，但它們獨立與現有的LTE 射頻鏈路。這種初代5G調制解調器設計還需要額外的支持部件，例如SDRAM和電源管理，但這些部件通常已存在於智能手機的LTE部分。在現有成熟的4G設計基礎上，手機廠商使用新的5G標準擴展了4G功能。通常手機廠家和運營商的上市時間要求（搶先首發）會反映在設備設計中。在這種情況下，早期的5G智能手機包含了額外的支持組件，否則這些組件將不會存在於成熟的智能手機設計中。在我們分析的六款初代5G智能手機中；六個設備中的五個具有類似於第一代5G設計的架構。 三星Galaxy S10 5G除了國際版使用三星Exynos 5100 5G芯片組以外，我們發現其他版本仍使用了高通的驍龍X50 5G調制解調器。 同樣，5G 射頻前端也基本都是由高通提供，這表明調制解調器和射頻前端在5G通信設計中的緊密耦合。

此外，第一代5G 射頻前端包含Sub 6GHz 5G和毫米波（mmWave）5G兩個不同分類。由於毫米波 5G的尺寸、功率和波束成形/跟蹤的要求，必須使用高度集成的毫米波天線（多個）模塊。這些模塊化天線集成了從收發器一直到物理天線的所有射頻組件。目前，市場上唯一可用的毫米波解決方案來自高通，因此，毫米波5G設計作為一套完整的調制解調器到天線解決方案提供，而其他所有競爭對手仍然處於毫米波技術開發的早期階段（除了已經退出市場供應智能手機行業的英特爾）。本次評估的六家智能手機廠商中，三星和LG都擁有其5G智能手機的毫米波版本，以支持使用高通解決方案部署毫米波5G的美國運營商，如AT＆T，T-Mobile和Verizon。

第二代5G調制解調器設計

第一代5G調制解調器最大的特點之一是缺乏多模支持，因此還需要單獨的LTE調制解調器（如上文所述）。隨着行業的成熟，第二代5G調制解調器將確定支持多模，將LTE和5G集成在同一芯片。 這是智能手機電路設計演進的必經之路，在減少5G智能手機電路面積的同時，還要降低其功耗和製造成本。 本次評測的六款5G智能手機中，只有華為採用其首款5G芯片組（巴龍5000）的多模調制解調器設計。 雖然這種設計不再需要單獨的4G/3G/2G調制解調器，但我們的拆解顯示，華為Mate 20X的其他設計遠非理想，突出了早期5G技術的挑戰。

其他供應商已宣佈推出的第二代調制解調器有高通公司的驍龍X55和英特爾公司的XMM8160。但現實是鑑於最近英特爾退出市場，我們只會看到高通解決方案的採用。 事實上，在驍龍X55發佈時，基於其多個設計方案已在開發流程中，預計將在2019年末推出。

功能框圖（圖4）説明了華為Mate 20X 5G智能手機的架構。雖然華為是本批評測中唯一採用多模5G調制解調器的，但與此同時帶來了許多設計上的妥協。首先，Mate 20X設計中仍採用海思Kirin 980 SoC，該SoC已經具有內置的LTE調制解調器。此外，在實際運行中只有多模巴龍 5000調制解調器用於5G/4G/3G/2G通信，使得Kirin SoC中集成的調制解調器並未使用，可以説是不必要的。 更好的解決方案是使用單獨的應用處理器（無調制解調器）來代替麒麟980，以降低成本，功耗和PCB佔用空間。

此外，華為Mate 20X 5G為巴龍 5000配備了更高容量的SDRAM。獨立調制解調器的典型做法是與將容量為數百兆字節（MB）的SDRAM一起封裝進芯片，而華為Mate 20X採用了PoP封裝的驚人3GB大容量LPDDR4 SDRAM（容量的數量級提升），可與大多數智能手機的主流SoC SDRAM配置相媲美。從硅片水平來看，7nm 巴龍裸片尺寸比10nm 的高通 X50大50％（本批次5G智能手機中採集到的結果）。當然，這並不是一個平等的比較，因為其中一個是多模而另一個是單模，並且是使用了不同的製程製造，但這説明了不同的廠商為實現5G而採取的設計妥協。巴龍 5000與即將推出的高通X55 5G調制解調器會是更好的比較。X55和巴龍都是多模5G調制解調器，而X55採用7nm製程，由此我們可以推斷出其裸片尺寸也會比巴龍 5000小得多。

華為Mate 20X設計中體現的效率是射頻前端的簡化（從收發器到天線）。與第一代設計的雙無線鏈路相反，5G/4G/3G/2G僅需要一條無線鏈路，因為所有的無線通信標準都通過單個多模調制解調器和RF收發器路徑（而不是兩個）。

目前華為的5G設計侷限於Sub 6 GHz的射頻頻段（目前國際上部署的5G最常用的頻譜）。對於具備高性能的毫米波支持，華為尚未推出可行的射頻前端解決方案。這意味着對於現在支持毫米波5G網絡部署的運營商和OEM廠家而言，唯一可用的選擇是高通公司高度集成的毫米波調制解調器到天線設計。

圖4 – Huawei Mate 20X 5G設計原理

華為Mate 20X設計突出了設備廠商在5G調制解調器設計，平衡功能需求，電路設計和成本方面一些挑戰。 如果海思將 巴龍 5000調制解調器提供給其他OEM，並與商用調制解調器提供商直接競爭，本次對5G初代設計的評估將表明華為設計在成本，電路板面積和功效方面還不具備競爭力。 然而鑑於華為設計的“獨佔”性質，這些擔憂是能夠將5G智能手機按時推向市場的次要問題。 此外，由於海思半導體是一家“獨佔”供應商，因此OEM客户對提高設計效率的要求也更少，從而導致第一代設計並不是最優的。

優化未來5G設計

對初代5G智能手機的早期分析最終將我們指引未來產品中5G設計演進的方向。 正如多模調制解調器將在第二代設計中引入，帶來單調制解調器設計和集成度更高的射頻前端一樣；隨着5G技術的成熟，業界將期待核心電路設計的進一步優化。

我們將在未來看到怎樣的5G設計？按照近十年前4G LTE調制解調器的演進路線，我們將在2020年的5G智能手機設計的下一次迭代中看到多模5G調制解調器與智能手機SoC本身的集成（圖5）。這種更高的集成度將影響現有支持SoC的SDRAM和電源管理，並消除主板上的額外芯片，更重要的是，影響物料清單（BOM）成本。

此外，我們將看到一個高度集成和緊湊的射頻前端架構用來在一個設備中同時支持Sub 6GHz和毫米波段 5G。 正如當今市場上的高端LTE智能手機具有支持全球漫遊的射頻頻段一樣，未來的5G智能手機將依靠緊湊的調制解調器到天線設計以集成更多的5G頻率和模式支持。在5G應用中，對於調制解調器或調制解調器到天線設計的優化的需求是至關重要的，其中任何信號劣化都會導致用户端明顯的滯後或延遲。 綜上所述; 更好，更便宜，更快速的5G智能手機即將問世。

圖5 – 未來的 5G 設計

結語

元器件的成熟過程是每個新無線標準演進的循環。 早期的LTE設計與我們在本文中討論的第一代5G設計一樣複雜。隨着半導體制造工藝的進步和硅片更高的集成度，特別是調制解調器和射頻前端的緊密耦合，業界將開始意識到成熟的5G芯片組設計所帶來的優點。此外，我們預計由於智能手機設計將從LTE升級到5G，產量的增長將必然降低5G設備的整體成本。 這些優勢即將在明年到來的下一代5G智能手機的經濟性和性能方面體現給終端消費者。