5G射频前端设计挑战与解决方案

文章作者:史蒂夫·塔拉诺维奇

模拟前端(AFEs)，也被称为射频前端(RFFEs)，是通过集成高速放大器、接收模数转换器(adc)和传输路径数模转换器(dac)以及不断缩小的高频滤波器设计，使用智能分区架构的组件。万博投注网址AFE解决方案用于5G基站和手机。

更具体地说，在5G设计中，需要AFE来支持网络中的万博投注网址多个发送和接收路径多输入多输出(MIMO)配置。因此，5G复杂性的增加限制了拥有开发如此复杂射频子系统专业知识的制造商的数量，这并不令人意外。然而，与此同时，随着5G设计的成熟，越来越多的供应商正在逐步接受AFE的挑战。万博投注网址

这是因为射频设计在5G网络中代表了巨万博投注网址大的机遇，将在小型、微型、微微和飞秒蜂窝设备中部署大量基站，以促进适当的用户覆盖。5G网络还需要比2G、3G和4G更高的集成度和小型化程度，以降低功耗和成本。

5G技术的一个关键方面是其支持物联网(IoT)和工业物联网(IIoT)应用的能力。AFEs是这种带宽创新的核心。5G网络中AFE带宽的增加不再像以前的蜂窝网络那样只服务于手机;相反，5G可以被用作笔记本电脑和台式电脑的互联网服务。

图15G Release 16引入了新功能，同时将5G AFE设计栏提升到了一个全新的水平。来源：3 gpp

5G中的AFE设计挑战

5G旨在支持更高的数据速率和更大的通信量流量；此外，连接设备的大量增长可满足各种不同的使用情况和需求。为了满足无线数据通信容量的大幅提升，频谱效率和重用、更高的速度和更低的延迟是AFE设计的主要考虑因素纳什。万博投注网址

频谱效率和复用

当6GHz以下的频谱充斥着多种无线应用时，6GHz以上的频谱，特别是毫米波(mmWave)频段，因其广泛的可用带宽而引起了广泛的关注。

为了支持mmWave波段的传输，AFE的任务是改善高路径损耗、高氧和高H_2.O的吸收，通过叶片的损失，并因雨水而凋谢。为了克服毫米波频率下的这些不利信道特性，扩大传输距离，提高业务覆盖范围，波束形成与波束跟踪是AFE设计中使用的两项最关键的技术。万博投注网址

速度

速度是AFE设计中的另一个关键因素。5G AFE体系结构的运行速度高于之前的2万博投注网址G、3G或4G系统。目前的5G系统的运行速度是以前的10倍4G LTE。5G的最大速度为10 Gbps，很有可能达到20 Gbps，而4G LTE的运行速度为1 Gbps，3G为42 Mbps，2G为0.3 Mbps。

延迟

5G中的射频前端架构有新的元素，可以提供更快的访问速度和更低的延迟。5G AFEs中的延迟比以前的3G和4G版本重要得多。5G的最小延迟为1毫秒或更少。另一方面，4G系统中的延迟为50毫秒到98毫秒，3G系统中的延迟为212毫秒，2G中的延迟为629毫秒。

这就是为什么新的5G服务现在使用超可靠低延迟通信(uRLLC)功能，这在自动驾驶汽车、机器人控制、工厂自动化和车辆到一切(V2X)通信等关键任务应用中尤其需要。

迎接AFE设计挑战

射频芯片制造商已经通过新的AFE/ rffe来应对这一5G设计挑战。这些AFEs/RFFEs中的数据转换器支持毫米波波段可用的信道带宽，它将为推广射频架构打开大门，通过将数字/模拟分界移近天线，潜在地降低射频电路的复杂性。

图2AFE7988/89的功能框图突出了5G设计中射频集成的新水平。万博投注网址来源:德州仪器公司

还有AD9081和ADR554x模拟设备公司（ADI）推出的大规模MIMO（M-MIMO）无线电的射频前端，如所示图3．这些AFEs极大地增加了在多个频带中同时工作的收发机信道的数量，同时将所有必要的硬件压缩到一个更小的形状因子中。

图3集成双通道架构允许RF设计者快速扩展其MIMO容量，以满足5G带宽需求。来源：模拟设备公司。

显然，由于需要支持的天线和频带数量以及实现充分覆盖所需的大量设备，5G收发器必须充分利用集成来降低功耗和成本(图4）.

图45G AFE有4条TX/RX路径和一个观测通道。来源:Synopsys对此

5G AFE/ rffe的射频采样更接近天线，将简化和缩小无线电形式因子，并实现更高级别的集成。这进而使5G的直接射频采样在基站和智能手机设计中成为现实。万博投注网址

因此，随着5G设计不断萎缩，先进的封装和集成AFE/RFFE模块化越来越接近现实。万博投注网址接下来，6G在太赫兹频率，我们将看到更小的AFE形式因子在不久的将来。

这篇文章最初发表在地球上模拟．

史蒂夫TaranovichSteve是EDN的高级技术编辑，在电子行业有40年的经验。Steve从纽约布鲁克林理工大学获得了MSE，从纽约布朗克斯的纽约大学获得了BEE。他还是IEEE长岛教育活动委员会的主席。他的专长是模拟各种embEddd processing education，因为他在Burr Brown和Texas Instruments工作的那几年与模拟设计有关。Steve在电子行业的头16年是电路设计工程师。随后，他成为Burr Brown Corp.的首批现场应用工程师之一，并成为他们的首批全球客户经理之一，前往欧洲，印度和中国。