“物超人”時代,射頻前端從幕后走向臺前

對于智能手機來講,屏幕本身已經(jīng)是一個耗電大戶,如果再因為射頻端消耗過多電量,用戶在手機續(xù)航方面的體驗就會變得很差。而早在“翻蓋功能機”時代就已經(jīng)是必要配件的射頻前端,作為無線通信設(shè)備的核心部件,其設(shè)計對于高性能5G終端的續(xù)航能力至關(guān)重要。

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本文來自本文來自物聯(lián)網(wǎng)智庫,作者:Levin。

每隔十年左右的時間,通信技術(shù)就會升級迭代一次,需要支持更多的頻段和更復(fù)雜的信號處理。在新技術(shù)的帶動下,各類終端設(shè)備對于性能的要求不斷提高,不僅帶來了芯片行業(yè)的大爆發(fā),也讓射頻前端從“默默無聞”開始逐漸走進大家的視野當(dāng)中。

在手機電量低的時候,大家通常都會關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、藍(lán)牙等功能來減少電量消耗,原因就在于手機要想發(fā)送攜帶信息的無線電磁波,必須將其調(diào)制到高頻才可以,而為了與基站之間保持穩(wěn)定的通信,還要求手機發(fā)射的射頻必須達(dá)到一定的強度,這些都要消耗較多電量才能完成。

對于智能手機來講,屏幕本身已經(jīng)是一個耗電大戶,如果再因為射頻端消耗過多電量,用戶在手機續(xù)航方面的體驗就會變得很差。而早在“翻蓋功能機”時代就已經(jīng)是必要配件的射頻前端,作為無線通信設(shè)備的核心部件,其設(shè)計對于高性能5G終端的續(xù)航能力至關(guān)重要。

不過,在過去多年的時間里,雖然智能手機在性能上的持續(xù)提升已經(jīng)有目共睹,但大家的注意力更多還是放在了芯片上,很多對于功耗的優(yōu)化都是針對芯片設(shè)計的。但其實,不僅智能手機內(nèi)部模塊和器件的復(fù)雜度在上升,更多應(yīng)用5G和AI等技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也在功耗上面臨著很大挑戰(zhàn),在射頻前端優(yōu)化上投入精力的多少,也將成為影響物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵一環(huán)。

手機里小小的模塊卻“內(nèi)藏乾坤”

現(xiàn)在智能手機內(nèi)的無線通信模塊,通常包括天線、射頻前端模塊(RFFE)、射頻收發(fā)器和基帶信號處理器四個部分。其中,射頻前端是核心部件,是將無線電磁波信號和二進制數(shù)字信號進行互相轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ),能夠影響并管理無線發(fā)送和接收的全部信號。

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在早期的2G時代,手機需要支持的頻段只有4個,到4G時代也只有不到20個頻段組合,射頻前端的復(fù)雜度并不算高。但在如今的5G時代,已經(jīng)有超過10000個頻段組合,僅支持Sub6GHz的機型就需要增加n41、n78、n79、n77等多個頻段,而每多增加一個頻段,手機里的射頻端就需要對應(yīng)增加支持該頻段的射頻前端器件,如果同時支持Sub6GHz和毫米波,則還需增加n257、n258、n261、n260等多個毫米波頻段,射頻端器件的數(shù)量會進一步增加。

不僅如此,在各類無線通信設(shè)備的頻段組合指數(shù)級增加的同時,帶寬、MIMO、載波聚合等其他方面也對射頻前端器件提出了全新的要求。而智能手機雖然尺寸有所變大,卻更加追求輕薄,在手機內(nèi)部留給射頻前端器件的空間并沒有因尺寸的增加而變大。相反,這種“既要、又要”的情況使得射頻前端器件的設(shè)計難度、數(shù)量快速增加,對射頻前端的集成化水平提出了更高的要求。

以射頻功率放大器(PA)為例,此前的4G手機搭載的射頻PA芯片只有5-7顆,5G手機卻高達(dá)16顆,而且單顆芯片的價值和復(fù)雜性也都比此前更高,市場對于射頻器件的需求量也大大增加。

在此背景之下,僅國內(nèi)做射頻芯片的企業(yè)就多達(dá)上百家,早已成為一片“紅海”。不過,國內(nèi)相關(guān)企業(yè)雖然數(shù)量眾多,但技術(shù)上還存在一定差距,很多還停留在某些射頻器件的研發(fā)設(shè)計上。但從全球來看,射頻領(lǐng)域的核心地位目前被Murata、Skyworks、Qorvo和高通等公司牢牢占據(jù),它們早已從分立器件走向了模組的研發(fā)階段。

以高通公司為例,作為無線通信領(lǐng)域多年來的領(lǐng)軍者,高通在四大重點關(guān)注的業(yè)務(wù)領(lǐng)域中就包括射頻前端(其余為驍龍手機平臺、汽車以及物聯(lián)網(wǎng)),而且已經(jīng)發(fā)布了射頻相關(guān)的整體解決方案。

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在過去幾年里,高通先后推出了驍龍X50、X55、X60和X65這四代5G調(diào)制解調(diào)器及射頻解決方案。最新的X70調(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng)還帶來了全新的功能,如5G AI套件、超低時延套件和四載波聚合等,可實現(xiàn)無與倫比的5G傳輸速度、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、信號質(zhì)量和低時延。

同時,憑借領(lǐng)先的射頻前端性能和跨全品類的業(yè)務(wù)擴展,高通公司在2021年實現(xiàn)了射頻前端單元累計出貨量80億個,其中單個組件的出貨量均超過3億。同年,高通技術(shù)公司還在智能手機射頻前端領(lǐng)域收入排名第一,比原計劃提前一年完成目標(biāo)。

雖然大眾對于射頻的關(guān)注度遠(yuǎn)低于芯片,但隨著2019年以來5G的正式商用,射頻重要性的提升不言而喻,全球的射頻市場整體也呈現(xiàn)出高速增長的態(tài)勢。據(jù)Gartner預(yù)測,到2026年時,射頻前端的市場規(guī)模有望達(dá)到210億美元。

不過,在智能手機逐漸從增量市場變成存量市場的前提下,僅依靠智能手機里射頻器件定價的提升,無法完全支撐起百億美金的市場空間。在這種情況下,射頻領(lǐng)域的相關(guān)公司也都在嘗試將5G與高性能、低功耗計算以及終端側(cè)AI相融合,試圖找到在萬物互聯(lián)時代的全新機遇。

萬物互聯(lián)時代的射頻前端至關(guān)重要

最近幾年,多數(shù)人的生活方式都產(chǎn)生了或多或少的變化:居家辦公、直播跟練和上網(wǎng)課的時間變多了,出門在外的時間和次數(shù)減少了,為家里添置的可聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也越來越多。相比于人手一部的智能手機,每個人使用的智能設(shè)備的數(shù)量有著數(shù)量級的提升,“物超人”的時代即將到來:

2019年時,全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)量已經(jīng)達(dá)到110億,其中消費物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量達(dá)60億,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量達(dá)到50億。而根據(jù)GSMA的預(yù)測,到2025年時,全球物聯(lián)網(wǎng)終端連接數(shù)量將達(dá)到250億,其中消費物聯(lián)網(wǎng)終端連接數(shù)量達(dá)到110億,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端連接數(shù)將達(dá)到140億。

如果以史為鑒,這種變化的背后往往也代表了產(chǎn)業(yè)的變遷。在當(dāng)年智能手機的出貨量首次超過PC時,隨后就迎來了十年移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。由此可以大膽推測,“物超人”的出現(xiàn),也必將迎來物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的全面爆發(fā)。

在物聯(lián)網(wǎng)時代,這些百億級別的連接數(shù)也對無線通信的速率、時延、穩(wěn)定性等提出了更高的要求,各種新標(biāo)準(zhǔn)也在不斷推出。若是細(xì)分來看的話,對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)來說,隨著2G、3G的逐漸退網(wǎng),大量連接需求轉(zhuǎn)向了以NB-IoT為代表的LPWAN,5G的出現(xiàn)更是全面帶動了高速移動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。而對于消費物聯(lián)網(wǎng),更多還是需要利用Wi-Fi來實現(xiàn)通信,Wi-Fi 6E和Wi-Fi 7新標(biāo)準(zhǔn)也要支持利用更高的頻率(6GHz至7.2GHz)來支持高吞吐量和低延遲的無線網(wǎng)絡(luò),用來支持超高清視頻直播、虛擬現(xiàn)實游戲等新應(yīng)用。

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通常,Wi-Fi前端模塊是集成的射頻組件,包括功率放大器(PA),低噪聲放大器(LNA),濾波器和開關(guān)等,有助于在Wi-Fi SoC和天線之間放大和路由信號。但隨著Wi-Fi傳輸速率的不斷提升,Wi-Fi 7等標(biāo)準(zhǔn)想要在接近于5G蜂窩頻段的頻率上實現(xiàn)新功能,甚至需要5G與Wi-Fi共存,同時使用5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi 5GHz和6GHz頻段,這些都對射頻前端的設(shè)計形成了不小的挑戰(zhàn)。

而想要解決這些高性能的需求,應(yīng)對諸如更高頻率、更大帶寬以及射頻與5G、Wi-Fi同時使用或并發(fā)等復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn),先進的射頻連接解決方案必不可少。

上個月27日,高通公司宣布推出全新射頻前端模組,融合了Wi-Fi基帶芯片和天線之間所需的關(guān)鍵組件,可以放大并適配信號,是專門面向藍(lán)牙、Wi-Fi 6E和下一代標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi 7設(shè)計,與高通ultraBAW濾波器配合以支持5G/Wi-Fi并發(fā),增強使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)終端的無線連接性能,旨在打造最佳的Wi-Fi和藍(lán)牙體驗。

有了這一全新的模組,廠商就可以用它和高通發(fā)布的全球首個高速Wi-Fi 7商用解決方案FastConnect 7800的無線連接系統(tǒng)、驍龍5G基帶及射頻系統(tǒng)相結(jié)合,也可以搭配第三方Wi-Fi和藍(lán)牙芯片組,以此來快速、低成本地開發(fā)Wi-Fi設(shè)備,滿足用戶日益增長的需求。

按照高通公布的“統(tǒng)一的技術(shù)路線圖”來看,在邊緣側(cè)AI、影像、圖形處理、計算處理和連接技術(shù)等領(lǐng)域,高通均處于業(yè)界領(lǐng)先地位,其推出的這款全新射頻前端模組,還將被用于多個領(lǐng)域,如汽車、XR、PC、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)等,覆蓋從低復(fù)雜度到高復(fù)雜度的幾乎所有終端類型。

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對于汽車來說,近年來廣泛宣傳的“智慧座艙”概念就賦予了車內(nèi)空間更多的功能,可以成為娛樂甚至辦公的智慧空間。目前,高通在汽車領(lǐng)域的布局也已經(jīng)超過10年,在車聯(lián)網(wǎng)和汽車無線連接領(lǐng)域已經(jīng)排名第一,有超過25家的汽車廠商采用驍龍汽車數(shù)字座艙平臺。此前,對于汽車本身的無線通信和乘客在座艙內(nèi)的影音娛樂需求,高通專門推出了QXM1910 AQ,可滿足汽車制造商對于車規(guī)級Wi-Fi模組的要求。未來,在使用全新的射頻前端模組后,將使高通在汽車領(lǐng)域的競爭力進一步提升。

提前布局,未來可期

除了大多數(shù)已使用高通模組的汽車廠商外,正在開發(fā)中的采用高通連接芯片的5G汽車、CPE和PC等,也都使用了其射頻前端技術(shù)或組件。此外,高通的射頻前端技術(shù)也正加速應(yīng)用于消費物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端,這些都將推動其射頻前端業(yè)務(wù)的持續(xù)增長。

在移動互聯(lián)網(wǎng)的浪潮中,高通公司在手機平臺方面的業(yè)務(wù)已取得十分優(yōu)秀的成績,已發(fā)布或出貨的絕大部分安卓手機搭載的都是驍龍系列芯片,為消費者帶來了極佳的使用體驗。近年來,高通則完全是“站在自己的肩膀上”進行了多元化的戰(zhàn)略布局,將自身的技術(shù)優(yōu)勢帶到未來更具潛力的多個領(lǐng)域,其結(jié)果大概率會像高通總裁兼首席執(zhí)行官安蒙所說的那樣——高通正迎來史上最大的發(fā)展機遇。

雖然萬物互聯(lián)的時代還沒有真正到來,但從很多領(lǐng)域的變革中已經(jīng)可以窺見這種趨勢。射頻前端帶來的通信能力的提升,不僅讓各種終端在硬件上滿足了需求,在軟硬件結(jié)合AI、云計算等技術(shù)后出現(xiàn)的各類全新服務(wù),才是這背后更重要的意義。

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