2019年08月21日 | 第一代5G手机的射频是怎样设计的

5G智能手机的市场反应能力在这一个新的无线技术的转型初期是前所未有的，与之前的4G LTE演进不同, 更多的手机厂商会第一时间将新设备提供给客户；不仅是关键的调制解调器套片与射频前端(RFEE)元器件在设计周期的早期阶段就可以提供给厂商， 还因为这些解决方案都是完整的“调制解调器到天线”设计，从而进一步加快初代5G智能手机投放市场的速度。

本文将进一步探寻射频技术与元器件如何支持5G设备，从而能在5G网络生命周期中尽早投放。作为IHS Markit Technology 对5G网络与设备性能“前瞻性研究”的一部分，我们评估的至少6部初代5G智能手机，并进行了彻底的拆解分析以确定5G无线核心元器件与系统设计。这批5G智能手机分别来自三星、LG、小米、Oppo、一加以及华为。
 

图 1 – 拆解分析的初代5G智能手机样本
 

通过深入研究这些智能手机的初代5G设计，我们开始了解其中的主要元器件以及5G调制解调器和射频前端的供应商选择。在评估的六个手机品牌中，绝大多数（六分之五）5G部分设计由高通提供，其中三星Galaxy S10 5G的某个版本使用了Exynos（三星LSI）解决方案，而华为Mate 20X 5G则使用了自主研发的调制解调器方案（华为海思 巴龙5000）。这两个“独占”的调制解调器供应商通常是行业规则或规范的例外。研发调制解调器和射频前端需要投入大量资源。但很明显，三星和华为凭借其惊人的规模和经营范围可以负担得起垂直整合5G设计的投资。
 

在5G生态系统的商用方面，高通在2016年率先发布的骁龙X50调制解调器独领风骚。时至今日，还没有其他商用调制解调器厂家的5G芯片进入智能手机。联发科与紫光展锐（展讯）都已发布其第一代5G芯片组，但还没有被任何知名厂家应用在智能手机设计中。此外值得注意的是，英特尔最近将其智能手机调制解调器部门出售给了苹果（英特尔4G LTE调制解调器芯片的唯一客户），将商用调制解调器领域的供应商缩减至三家。
 

随着智能手机行业的成熟和巩固，只有像苹果，三星和华为前三大厂商体量的厂商才有足够的资金投入研发自有芯片组。市场中的其他厂商，包括小米，Oppo和Vivo等大型厂商均是采用商用调制解调器供应商经过验证的射频设计。凭借高通在5G领域的前期领导地位，这些智能手机厂商可以使用高通成熟5G商用解决方案更好地与三大巨头竞争。这种采购策略让手机厂商更专注于产品创新和市场差异化，而不是将有限的资源投入到核心5G调制解调器与射频前端技术研发。
 

分立元器件与射频前端越来越紧密的结合为5G铺设道路

就像近十年前的4G，LTE连接建立在已有的3G技术之上一样；早期的5G功能通过添加独立的芯片组到现有的LTE设计中实现。这意味着5G组件基本上像是用螺栓外挂在智能手机设计上，而不是被融合进核心芯片组中。 这不仅是为了加速智能手机的上市时间，还要通过重复使用现有的成熟设计来降低开发风险。
以下功能框图描绘了IHS Markit为本文评估的六部5G智能手机从调制解调器到天线的的核心电路设计及其之间的共性。

图 2 – 采用分立式5G调制解调器和射频前端的第一代5G设计
 

图 3  - 使用高度集成的射频前端天线模块的第一代5G毫米波版本智能手机
 

根据以上两张功能框图推断，第一代5G设计本质上是附加性的.  设计中存在分立的5G组件，例如单模5G调制解调器，5G射频收发器和单频段5G 射频前端，但它们独立与现有的LTE 射频链路。这种初代5G调制解调器设计还需要额外的支持部件，例如SDRAM和电源管理，但这些部件通常已存在于智能手机的LTE部分。在现有成熟的4G设计基础上，手机厂商使用新的5G标准扩展了4G功能。通常手机厂家和运营商的上市时间要求（抢先首发）会反映在设备设计中。在这种情况下，早期的5G智能手机包含了额外的支持组件，否则这些组件将不会存在于成熟的智能手机设计中。在我们分析的六款初代5G智能手机中；六个设备中的五个具有类似于第一代5G设计的架构。 三星Galaxy S10 5G除了国际版使用三星Exynos 5100 5G芯片组以外，我们发现其他版本仍使用了高通的骁龙X50 5G调制解调器。 同样，5G 射频前端也基本都是由高通提供，这表明调制解调器和射频前端在5G通信设计中的紧密耦合。
 

此外，第一代5G 射频前端包含Sub 6GHz 5G和毫米波（mmWave）5G两个不同分类。由于毫米波 5G的尺寸、功率和波束成形/跟踪的要求，必须使用高度集成的毫米波天线（多个）模块。这些模块化天线集成了从收发器一直到物理天线的所有射频组件。目前，市场上唯一可用的毫米波解决方案来自高通，因此，毫米波5G设计作为一套完整的调制解调器到天线解决方案提供，而其他所有竞争对手仍然处于毫米波技术开发的早期阶段（除了已经退出市场供应智能手机行业的英特尔）。本次评估的六家智能手机厂商中，三星和LG都拥有其5G智能手机的毫米波版本，以支持使用高通解决方案部署毫米波5G的美国运营商，如AT＆T，T-Mobile和Verizon。
 

第二代5G调制解调器设计

第一代5G调制解调器最大的特点之一是缺乏多模支持，因此还需要单独的LTE调制解调器（如上文所述）。随着行业的成熟，第二代5G调制解调器将确定支持多模，将LTE和5G集成在同一芯片。 这是智能手机电路设计演进的必经之路，在减少5G智能手机电路面积的同时，还要降低其功耗和制造成本。 本次评测的六款5G智能手机中，只有华为采用其首款5G芯片组（巴龙5000）的多模调制解调器设计。 虽然这种设计不再需要单独的4G/3G/2G调制解调器，但我们的拆解显示，华为Mate 20X的其他设计远非理想，突出了早期5G技术的挑战。
 

其他供应商已宣布推出的第二代调制解调器有高通公司的骁龙X55和英特尔公司的XMM8160。但现实是鉴于最近英特尔退出市场，我们只会看到高通解决方案的采用。 事实上，在骁龙X55发布时，基于其多个设计方案已在开发流程中，预计将在2019年末推出。
 

功能框图（图4）说明了华为Mate 20X 5G智能手机的架构。虽然华为是本批评测中唯一采用多模5G调制解调器的，但与此同时带来了许多设计上的妥协。首先，Mate 20X设计中仍采用海思Kirin 980 SoC，该SoC已经具有内置的LTE调制解调器。此外，在实际运行中只有多模巴龙 5000调制解调器用于5G/4G/3G/2G通信，使得Kirin SoC中集成的调制解调器并未使用，可以说是不必要的。 更好的解决方案是使用单独的应用处理器（无调制解调器）来代替麒麟980，以降低成本，功耗和PCB占用空间。
 

此外，华为Mate 20X 5G为巴龙 5000配备了更高容量的SDRAM。独立调制解调器的典型做法是与将容量为数百兆字节（MB）的SDRAM一起封装进芯片，而华为Mate 20X采用了PoP封装的惊人3GB大容量LPDDR4 SDRAM（容量的数量级提升），可与大多数智能手机的主流SoC SDRAM配置相媲美。从硅片水平来看，7nm 巴龙裸片尺寸比10nm 的高通 X50大50％（本批次5G智能手机中采集到的结果）。当然，这并不是一个平等的比较，因为其中一个是多模而另一个是单模，并且是使用了不同的制程制造，但这说明了不同的厂商为实现5G而采取的设计妥协。巴龙 5000与即将推出的高通X55 5G调制解调器会是更好的比较。X55和巴龙都是多模5G调制解调器，而X55采用7nm制程，由此我们可以推断出其裸片尺寸也会比巴龙 5000小得多。
 

华为Mate 20X设计中体现的效率是射频前端的简化（从收发器到天线）。与第一代设计的双无线链路相反，5G/4G/3G/2G仅需要一条无线链路，因为所有的无线通信标准都通过单个多模调制解调器和RF收发器路径（而不是两个）。
 

目前华为的5G设计局限于Sub 6 GHz的射频频段（目前国际上部署的5G最常用的频谱）。对于具备高性能的毫米波支持，华为尚未推出可行的射频前端解决方案。这意味着对于现在支持毫米波5G网络部署的运营商和OEM厂家而言，唯一可用的选择是高通公司高度集成的毫米波调制解调器到天线设计。

图4 – Huawei Mate 20X 5G设计原理
 

华为Mate 20X设计突出了设备厂商在5G调制解调器设计，平衡功能需求，电路设计和成本方面一些挑战。 如果海思将 巴龙 5000调制解调器提供给其他OEM，并与商用调制解调器提供商直接竞争，本次对5G初代设计的评估将表明华为设计在成本，电路板面积和功效方面还不具备竞争力。 然而鉴于华为设计的“独占”性质，这些担忧是能够将5G智能手机按时推向市场的次要问题。 此外，由于海思半导体是一家“独占”供应商，因此OEM客户对提高设计效率的要求也更少，从而导致第一代设计并不是最优的。
 

优化未来5G设计

对初代5G智能手机的早期分析最终将我们指引未来产品中5G设计演进的方向。 正如多模调制解调器将在第二代设计中引入，带来单调制解调器设计和集成度更高的射频前端一样；随着5G技术的成熟，业界将期待核心电路设计的进一步优化。
 

我们将在未来看到怎样的5G设计？按照近十年前4G LTE调制解调器的演进路线，我们将在2020年的5G智能手机设计的下一次迭代中看到多模5G调制解调器与智能手机SoC本身的集成（图5）。这种更高的集成度将影响现有支持SoC的SDRAM和电源管理，并消除主板上的额外芯片，更重要的是，影响物料清单（BOM）成本。
 

此外，我们将看到一个高度集成和紧凑的射频前端架构用来在一个设备中同时支持Sub 6GHz和毫米波段 5G。 正如当今市场上的高端LTE智能手机具有支持全球漫游的射频频段一样，未来的5G智能手机将依靠紧凑的调制解调器到天线设计以集成更多的5G频率和模式支持。在5G应用中，对于调制解调器或调制解调器到天线设计的优化的需求是至关重要的，其中任何信号劣化都会导致用户端明显的滞后或延迟。 综上所述; 更好，更便宜，更快速的5G智能手机即将问世。
 

图5 – 未来的 5G 设计
 

结语

元器件的成熟过程是每个新无线标准演进的循环。 早期的LTE设计与我们在本文中讨论的第一代5G设计一样复杂。随着半导体制造工艺的进步和硅片更高的集成度，特别是调制解调器和射频前端的紧密耦合，业界将开始意识到成熟的5G芯片组设计所带来的优点。此外，我们预计由于智能手机设计将从LTE升级到5G，产量的增长将必然降低5G设备的整体成本。 这些优势即将在明年到来的下一代5G智能手机的经济性和性能方面体现给终端消费者。