5G时代:哪类基础设施用模拟与RF芯片会受宠

手机与无线通信   作者:迎九 时间:2020-02-11来源:电子产品世界

5G已经到来,这是最好的时代,也是最有挑战的时代。为实现 5G,技术要素包括模拟前端 (AFE) 和 RF 架构。那么,基础设施用模拟与射频芯片做到了什么程度?性能和集成度如何?为此,电子产品世界采访了模拟和RF芯片供应商——ADI、恩智浦半导体和赛灵思。

1 ADI:5G的三大挑战及应对方案

5G对设备运营商(OEM)提出了新的挑战,因为5G技术和4G有很大不同,包括空口技术、编码技术,以及后面的基带等。最直接的挑战是频谱扩展,之前频段一般集中在2GHz、2.7GHz以下,新的5G频段有3.5GHz频段、4.9GHz频段等,因此设备商要提供新的产品来覆盖这些频段。

一方面带宽增加,之前的带宽更多是50MHz,最多100MHz。5G因为数据流量大大增加以10倍甚至100倍的增长,带宽也要更宽。目前3GPP推出的规格里最宽的带宽达200MHz;另一方面,通道数也会大大增加,之前宏基站是2×2或4×4,现在8×8已经出来了,甚至16×16。

5G有一种专门的技术叫Massive MIMO。在Massive MIMO场景有64×64,甚至128×128。通信商巨头已经有这些Massive MIMO的原型产品了。  

这些难题从技术角度对设备商提出了挑战,不但要满足新技术的要求,同时运营商也要求设备商进一步降低尺寸、功耗和成本。因此,需要半导体厂商推出新的解决方案。

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ADI提供的产品可服务于从比特到天线阵列的完整5G基站信号链——包括上变频器、下变频器、PLL频率合成器、开关、波束合成、LNA和PA等。

在分立器件方面,ADI的Pipeline ADC技术不断往上提升,为了把精度做得更高,已推出14位的Pipeline ADC,在3G、4G尤其5G的基站应用里可以得到很好的发挥。

为了补全产品线,ADI于2014年收购了讯泰科技,最重要的意义在于,以前ADI的高速能力,甚至RF的能力,大约到6 GHz或8 GHz的水平,有了讯泰的能力补充,可以做到(100~110) GHz的能力,包括微波、毫米波在内,都有完整的产品系列。另外,讯泰科技对于毫米波、微波、RF的信号链是非常完整的,有完备的产品线,包括滤波器、开关等,再把它们跟ADI的技术结合起来,就形成了完整的RF解决方案。

例如HMC661/HMC1061,可以在18 GHz的高带宽下进行采样保持,减少对高温ADC的依赖实现高速采集。另外,HMC994/998/907/797系列砷化镓类的PA(功率放大器)产品,最大的特点是可以从DC,即从0 Hz到30 GHz的信号和带宽放大。

另一款产品是现在在5G通讯,特别是5G毫米波通讯里推出来的产品。在5G通讯里,波束成形中怎样把一个天线阵列形成多个波束非常关键,ADI有集中度高、性价比好的产品,对这种技术的实现就非常关键。ADI还有把低的RF信号提到高的RF信号的能力,针对不同的频段,诸如K频段、Ka频段都有相应的产品,能够建立起来可以达到500 MHz带宽的系统。

在5G射频收发器方面,实现了软件配置的RF平台,助力客户从概念到成品的快速完成。实际上,无线电的概念从1995年就在美国通信协会上被提出来,但真正实现软件配置的RF平台是非常困难的,因为RF本身的设计会带来非常多的挑战。ADI最早把所有的滤波器、射频的LNA、PA,包括高速DAC等集成在一个芯片里,这才得以实现所有的RF的频点、带宽、噪声水平等都可以进行软件配置。2014年推出了AD9361,2018年推出了ADRV9008/9产品。

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2 恩智浦:看好宏站和小站的机会

在通信基础设施领域,从之前的3G、4G到现在的5G,恩智浦的产品包括核心处理器、射频功放以及大规模的射频电路等等。5G时代来临,如果看得更远一些,到2021年、2022年时,5G边缘部分的成长会相当明显。5G由于其特性和室内覆盖的问题,包括穿透性的问题,对小基站在宏站的基础上进行补站的需求,以及5G行业的应用会有比较多的增长。在边缘侧和5G部署系统里,除了核心网和宏站以外,还有小站以及企业端和工业5G的小的分布系统,恩智浦有独特的分布式系统、产品和解决方案。

  现在中国在5G方面走得比较快。如下图,北美率先宣布的5G应用,之后才是中国。但北美的5G频段跟中国有所不同,因为北美有很多Sub-6GHz的频段被军方占用,所以北美5G主要是在微波段进行部署的。中国由于是后发,在Sub-6GHz频段下有很多投资,包括中国移动、电信、联通,2019年已经大规模部署了,2020年在绝大多数的主要城市都可以进行覆盖。

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5G基础设施的增长将刺激2020年手机市场销量的增长。从2016到2019年,手机市场一直在萎缩,但从2020年开始,会出现4G到5G手机的更换潮。

在终端侧,恩智浦除了之前提供的核心网络的处理器和在宏站提供的射频解决方案外,在开放式的架构,以及在CU、DU、RU、5G小基站、企业/工业、农业、5G的CPE等方面,都有小基站和企业基站的部署和应用(如下图)。

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在5G射频技术方面,由于目前已经到了5G的市场投入期,未来的增长是非常大的(如下图)。

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图:基站市场

恩智浦从技术到频段都有覆盖。从RF技术来看,恩智浦是从低频到高频,从微功率到大功率所有产品和技术的提供商。在高功率基站、毫米波基础设施以及CPE解决方案方面,恩智浦也都有产品的覆盖(如下图)。

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3 赛灵思RFSoC:实现更高的集成

擅长全可编程SoC的赛灵思把RF也集成了进来,推出了赛灵思Zynq UltraScale+ RFSoC是把RF嫁接到SoC里。2017年已经推出了第1代产品,2019年又推出了第2代和第3代产品。

RFSoC的第2代和第3代产品具有更高射频性能及更强可扩展能力,可支持6 GHz以下所有频段,从而满足新一代5G 部署的关键需求。同时,还可支持针对采样率高达的14位ADC和10 GS/S的14位DAC进行直接RF采样,二者的模拟带宽均高达6 GHz。

产品系列是单芯片自适应射频平台。该产品系列现在包括:第2代不仅符合亚洲地区5G部署的时间规划,而且还支持最新射频技术。第三代在 RF 数据转换器子系统中对 6GHz以下频段的直接 RF 采样,以提供全面支持、扩展的毫米波接口,并将功耗降低达 20%。

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那么,是否将来第3代产品是主流,因为第3代全覆盖?实际上,赛灵思第一代产品主要服务于pre-5G或者是5G早期的一些部署,针对的是4 GHz的带宽。但是现在有新的频段得到了分配,尤其是在中国和日本,主要是4 GHz到5 GHz的,所以赛灵思推出了第2代产品,希望能够非常及时地给这些运营商提供合适的产品。3GPP还在不断的发展,现在已经要演化到6 GHz,这时候第三代产品芯片就是最合适的。

所以如果客户要在2021年部署系统,那么第3代产品是最合适的,能够帮助客户满足到时候所需要的一系列应用。

另外,全球很多国家在频段分配上的情况是不一样的,可能有一些并不需要4 GHz或者是5 GHz这样的带宽水平,所以可以根据各个国家的情况选择1~3代产品。例如如果有的国家只需要4 GHz带宽,其实第1代芯片就可以满足需求。

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关键词: 5G 模拟 射频

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