除了Modem 射频也是上网背后的英雄

网络已成为我们生活的组成部分，对于大多数人来说，没有了网络就会六神无主。我们此前在很多文章中都提到了Modem，也就是调制解调器在网络连接上的重要性。实际上，从最早主要用于通话和短信的功能机，到下载速度快于很多家庭网络连接的智能手机，其实还有一个一直默默无闻的英雄——射频。

射频前端（RFFE）是一直以来被忽视的一个部分。相信没有几个普通人知道射频前端到底是什么物，但对于手机行业工作者，一定都会知道RFFE这个听起来就复杂的家伙。

RFEE是移动电话的射频收发器和天线之间的功能区域，主要由功率放大器 (PAs) 、低噪声放大器 (LNAs) 、开关、双工器、滤波器和其他被动设备组成。简单来说，如果没有适当的RFFE，设备根本无法连接到移动网络，从而就谈不上什么互联网生活了。

为什么现在才谈起了RFEE？

既然RFEE这么重要，为什么现在我们才开始重视它呢？ 简单来说有两点：

1. 移动应用的爆发性发展，带来更多样化的服务，也导致了对数据更大的需求量。

2. 大屏手机/全面屏手机不可阻挡的趋势以及无突破性发展的电池技术，让续航更加重要，所以就要从耗电的RFEE入手解决。

正如开头所讲，RFEE一直很重要，而且随着每一代无线宽区域网络(WWAN)技术和（IEEE） 无线网络标准的发展，从2G到5G，从802.11a到ad，RFEE的复杂性也在不断增加。对于“”更高更快”，也更复杂的千兆网络来说，射频前端的重要性就更加不言而喻。

在过去几年，随着新型应用的诞生，比如从社交应用到打车应用、再到现在的视频直播和在线播放，甚至是VR应用，新型应用软件加快了用户生成内容的生产和消费，推动更快、更一致的下载和上传速度。比如去年大热的VR在今年却冷静了来，很大程度上是因为人们需要移动的、无线缆舒服的VR头盔，能够在线播放内容，而不是用加载存在本地的视频或者是用线缆来传输内容。而要做到实时串流VR内容，是需要千兆级LTE才能做到的。

而像无人驾驶这样任务关键型的应用，甚至是需要5G的连接能力才能做到。更复杂的应用对连接提出了更大的挑战，也就给RFEE的设计提出了新的难题。因此，为了更好地实现前沿的应用，可以说RFEE的设计非常关键。

此外，IHS Markit的一份研究报告指出屏幕在5英寸及以上的智能手机2016年出货量占73%， 而一年前只有53%。我们都知道大屏幕会减少续航，这也带动了更大的电池容量设计。这些变化和其他功能的改进共同导致了关键RFFE组件的物理空间减少。与此同时，考虑到大尺寸屏幕对电池续航的影响，RFFE的设计要比以往更重视电源使用效率。

当RFEE遇上千兆级LTE，难上加难

当LTE刚开始商用，也就是LTE Cat.4的时候，网速只有150Mpbs，而到了今年都在谈论的LTE Cat.16的时候，这个速度已经飙升到了1Gbps。 当千兆LTE与RFFE碰到一起，让RFEE设计的困难将以平方倍的增加，因为RFFE的设计复杂程度标准随着同一设备内发射和接受通道的数量增加而提高，而千兆级LTE实现的关键三要素：1.载波聚合；2. 高阶调制；3. 4X4 MIMO，让千兆级的RFEE成为世上最难的设计。

研究机构IHS Markit对Galaxy S6 Edge+、S7 Edge还有Galaxy S8+的拆解的时候分析发现，在Cat 6和Cat 9/12设备之间，天线架构保持相对不变，而在Cat 16 设备中将会看到天线数量的显著增加。而且像Galaxy S8 的窄边框设计需要将天线放置在屏幕下方，这将对射频信号造成干扰，将天线置于富有挑战性的射频环境。

尽管手机的RFFE的复杂程度显著增加，然而设备PCB上留给此功能区的空间一直以来却逐渐减少。在过去的几年里，高端智能手机已经从仅支持有限的射频频段转为单一SKU型号就支持高达34个频段的智能手机，比如一加 5。为了尽可能在有限的空间容纳扩展的频段，RFFE越来越模块化，比之前集成了更多的PA、滤波器、双工器、开关和LNA部件。PCB上元器件密度越来越高，元器件间的干扰逐渐成为一个不可忽视的问题。高通TDK合资企业开启下一代射频前端技术，为RFFE提供更高的集成度和更先进的技术。

如今的手机越来越来趋向于轻薄，留给机身内部的空间却寥寥无几，对于射频部分的设计已经成为手机设计中最难的一部分，但是好在目前高通提供的是一个从天线到调制解调器的一套接近完整的解决方案。早在三星S7系类上搭载的骁龙X12 LTE调制解调器就已经支持了上行Cat13，下行Cat12的高速Modem，而配合上高通独有的支持载波聚合的TruSignal™自适应天线调谐和包络追踪技术 ，可以让手机拥有更好的信号稳定性以及更佳持久的续航。目前这样先进的Modem+RFFE同样搭配在骁龙660／630处理器上，在中高端的机器上也能获得同样出色的体验。

载波聚合的TruSignal 这项技术同样在Galaxy S8和S8+上支持，但是不同的是S8第一批支持Cat16 千兆级LTE的量产智能手机，其下行链路速率约为千兆比特每秒 (1Gbps) ，与上代旗舰级调制解调器支持LTE Cat12 600Mbps的速率相比有了显著的提高。更快的下载速度不仅使终端用户受益。Cat16 LTE带来更快的数据传输速度，移动设备更小的占空比，更延长的电池续航时间，这些好处也就只有在骁龙835的X16 LTE调制解调器上支持的。

为了在成熟的市场中获得竞争优势，OEM厂商面临着来自产品差异化方面越来越大的压力。在过去几年中，类似调制解调器辅助天线匹配调谐解决方案仅体现于高端智能手机设计领域，目前已在各大OEM厂商设计中司空见惯。支持载波聚合所搭载的天线匹配调谐已成为RF前端的重要零部件之一，减少因环境和设计因素造成的干扰和智能手机RF信号的衰减并提升功率效率。如果没有天线匹配调谐技术，仅简单握住智能手机的动作就能恶化射频信号的质量， 智能手机厂商就得更注重选择不会显著影响RF信号质量的设计。

耗电大户的困扰

电源效率是智能手机设计师自产品诞生以来一直关注的问题，除了屏幕，主SOC外，RF前端是电池电量消耗最大部分之一。实现尽可能高效的功率放大器逐渐变得越来越重要并产生了广泛的技术应用如封包跟踪。封包跟踪芯片动态调整功放芯片的功率以达到最大的功放效率。

高通在其前端套片中提供平均功率（APT）跟踪芯片是另一种用于提高PA效率的技术，高通则是提出了更好的提高APA效率的技术——包络追踪(ET) 。它与平均功率追踪 (APT)相比，能效上更是提升了30% 。但是在最新的一代产品QET4100上，高通已经能够支持高达40MHz的带宽，这对于在上行线路中有2xCA的手机来说至关重要。通过将上行线路的带宽增加一倍，用户可以上传自己的视频，比如360度虚拟现实视频，在高需求的场馆如体育馆中，速度更快。随着用户生成的内容变得越来越普遍，上行载波聚合将带来更好的用户体验。

从射频到5G

IHS Markit预计，到2019年底，5G设备将投入商用，而支持5G技术的举措将进一步给RFFE带来压力。组件供应商将不得不增加对新制式的支持，以及从400MHz到6GHz的更广泛的频带(与移动宽带有关)，以及一套额外的编码。如其他核心智能手机ICs如基带一样，RFFE需要提供向后兼容，以支持4G/3G/2G的操作模式。

如果没有真正的系统级别的专业知识，当前和即将推出的RFFE将使组件供应商更难以阻止RFFE成为设备移动宽带性能的瓶颈。供应商必须提供完整的组件组合，从而为OEM厂商提供不同程度的性能和灵活性，是以满足终端用户的需求。