“物超人”时代,射频前端从幕后走向台前
作者 | 物联网智库2022-07-13

每隔十年左右的时间,通信技术就会升级迭代一次,需要支持更多的频段和更复杂的信号处理。在新技术的带动下,各类终端设备对于性能的要求不断提高,不仅带来了芯片行业的大爆发,也让射频前端从“默默无闻”开始逐渐走进大家的视野当中。

“物超人”时代,射频前端从幕后走向台前

在手机电量低的时候,大家通常都会关闭网络、Wi-Fi、蓝牙等功能来减少电量消耗,原因就在于手机要想发送携带信息的无线电磁波,必须将其调制到高频才可以,而为了与基站之间保持稳定的通信,还要求手机发射的射频必须达到一定的强度,这些都要消耗较多电量才能完成。

对于智能手机来讲,屏幕本身已经是一个耗电大户,如果再因为射频端消耗过多电量,用户在手机续航方面的体验就会变得很差。而早在“翻盖功能机”时代就已经是必要配件的射频前端,作为无线通信设备的核心部件,其设计对于高性能5G终端的续航能力至关重要。

不过,在过去多年的时间里,虽然智能手机在性能上的持续提升已经有目共睹,但大家的注意力更多还是放在了芯片上,很多对于功耗的优化都是针对芯片设计的。但其实,不仅智能手机内部模块和器件的复杂度在上升,更多应用5G和AI等技术的物联网设备也在功耗上面临着很大挑战,在射频前端优化上投入精力的多少,也将成为影响物联网产业的关键一环。

手机里小小的模块却“内藏乾坤”

现在智能手机内的无线通信模块,通常包括天线、射频前端模块(RFFE)、射频收发器和基带信号处理器四个部分。其中,射频前端是核心部件,是将无线电磁波信号和二进制数字信号进行互相转化的基础,能够影响并管理无线发送和接收的全部信号。

“物超人”时代,射频前端从幕后走向台前

在早期的2G时代,手机需要支持的频段只有4个,到4G时代也只有不到20个频段组合,射频前端的复杂度并不算高。但在如今的5G时代,已经有超过10000个频段组合,仅支持Sub6GHz的机型就需要增加n41、n78、n79、n77等多个频段,而每多增加一个频段,手机里的射频端就需要对应增加支持该频段的射频前端器件,如果同时支持Sub6GHz和毫米波,则还需增加n257、n258、n261、n260 等多个毫米波频段,射频端器件的数量会进一步增加。

不仅如此,在各类无线通信设备的频段组合指数级增加的同时,带宽、MIMO、载波聚合等其他方面也对射频前端器件提出了全新的要求。而智能手机虽然尺寸有所变大,却更加追求轻薄,在手机内部留给射频前端器件的空间并没有因尺寸的增加而变大。相反,这种“既要、又要”的情况使得射频前端器件的设计难度、数量快速增加,对射频前端的集成化水平提出了更高的要求。

以射频功率放大器(PA)为例,此前的4G手机搭载的射频PA芯片只有5-7颗,5G手机却高达16颗,而且单颗芯片的价值和复杂性也都比此前更高,市场对于射频器件的需求量也大大增加。

在此背景之下,仅国内做射频芯片的企业就多达上百家,早已成为一片“红海”。不过,国内相关企业虽然数量众多,但技术上还存在一定差距,很多还停留在某些射频器件的研发设计上。但从全球来看,射频领域的核心地位目前被Murata、Skyworks、Qorvo和高通等公司牢牢占据,它们早已从分立器件走向了模组的研发阶段。

以高通公司为例,作为无线通信领域多年来的领军者,高通在四大重点关注的业务领域中就包括射频前端(其余为骁龙手机平台、汽车以及物联网),而且已经发布了射频相关的整体解决方案。

“物超人”时代,射频前端从幕后走向台前

在过去几年里,高通先后推出了骁龙X50、X55、X60和X65这四代5G调制解调器及射频解决方案。最新的X70调制解调器及射频系统还带来了全新的功能,如5G AI套件、超低时延套件和四载波聚合等,可实现无与伦比的 5G 传输速度、网络覆盖、信号质量和低时延。

同时,凭借领先的射频前端性能和跨全品类的业务扩展,高通公司在2021年实现了射频前端单元累计出货量80亿个,其中单个组件的出货量均超过3亿。同年,高通技术公司还在智能手机射频前端领域收入排名第一,比原计划提前一年完成目标。

虽然大众对于射频的关注度远低于芯片,但随着2019年以来5G的正式商用,射频重要性的提升不言而喻,全球的射频市场整体也呈现出高速增长的态势。据Gartner预测,到2026年时,射频前端的市场规模有望达到210亿美元。

不过,在智能手机逐渐从增量市场变成存量市场的前提下,仅依靠智能手机里射频器件定价的提升,无法完全支撑起百亿美金的市场空间。在这种情况下,射频领域的相关公司也都在尝试将5G与高性能、低功耗计算以及终端侧AI相融合,试图找到在万物互联时代的全新机遇。

万物互联时代的射频前端至关重要

最近几年,多数人的生活方式都产生了或多或少的变化:居家办公、直播跟练和上网课的时间变多了,出门在外的时间和次数减少了,为家里添置的可联网设备也越来越多。相比于人手一部的智能手机,每个人使用的智能设备的数量有着数量级的提升,“物超人”的时代即将到来:

2019年时,全球物联网设备连接数量已经达到110亿,其中消费物联网终端数量达60亿,工业物联网终端数量达到50亿。而根据GSMA的预测,到2025年时,全球物联网终端连接数量将达到250亿,其中消费物联网终端连接数量达到110亿,工业物联网终端连接数将达到140亿。

如果以史为鉴,这种变化的背后往往也代表了产业的变迁。在当年智能手机的出货量首次超过PC时,随后就迎来了十年移动互联网产业的飞速发展。由此可以大胆推测,“物超人”的出现,也必将迎来物联网产业生态的全面爆发。

在物联网时代,这些百亿级别的连接数也对无线通信的速率、时延、稳定性等提出了更高的要求,各种新标准也在不断推出。若是细分来看的话,对于工业物联网来说,随着2G、3G的逐渐退网,大量连接需求转向了以NB-IoT为代表的LPWAN,5G的出现更是全面带动了高速移动物联网的发展。而对于消费物联网,更多还是需要利用Wi-Fi来实现通信,Wi-Fi 6E 和 Wi-Fi 7新标准也要支持利用更高的频率(6GHz 至7.2GHz)来支持高吞吐量和低延迟的无线网络,用来支持超高清视频直播、虚拟现实游戏等新应用。

“物超人”时代,射频前端从幕后走向台前

通常,Wi-Fi前端模块是集成的射频组件,包括功率放大器(PA) ,低噪声放大器(LNA) ,滤波器和开关等,有助于在 Wi-Fi SoC 和天线之间放大和路由信号。但随着Wi-Fi传输速率的不断提升,Wi-Fi 7等标准想要在接近于5G蜂窝频段的频率上实现新功能,甚至需要5G与Wi-Fi共存,同时使用5G蜂窝网络、 Wi-Fi 5GHz和6GHz频段,这些都对射频前端的设计形成了不小的挑战。

而想要解决这些高性能的需求,应对诸如更高频率、更大带宽以及射频与5G 、Wi-Fi同时使用或并发等复杂的技术挑战,先进的射频连接解决方案必不可少。

上个月27日,高通公司宣布推出全新射频前端模组,融合了Wi-Fi基带芯片和天线之间所需的关键组件,可以放大并适配信号,是专门面向蓝牙、Wi-Fi 6E和下一代标准Wi-Fi 7设计,与高通ultraBAW滤波器配合以支持5G/Wi-Fi并发,增强使用蜂窝网络终端的无线连接性能,旨在打造最佳的Wi-Fi和蓝牙体验。

有了这一全新的模组,厂商就可以用它和高通发布的全球首个高速Wi-Fi 7商用解决方案FastConnect 7800的无线连接系统、骁龙5G基带及射频系统相结合,也可以搭配第三方Wi-Fi和蓝牙芯片组,以此来快速、低成本地开发Wi-Fi设备,满足用户日益增长的需求。

按照高通公布的“统一的技术路线图”来看,在边缘侧AI、影像、图形处理、计算处理和连接技术等领域,高通均处于业界领先地位,其推出的这款全新射频前端模组,还将被用于多个领域,如汽车、XR、PC、可穿戴设备和物联网等,覆盖从低复杂度到高复杂度的几乎所有终端类型。

“物超人”时代,射频前端从幕后走向台前

对于汽车来说,近年来广泛宣传的“智慧座舱”概念就赋予了车内空间更多的功能,可以成为娱乐甚至办公的智慧空间。目前,高通在汽车领域的布局也已经超过10年,在车联网和汽车无线连接领域已经排名第一,有超过25家的汽车厂商采用骁龙汽车数字座舱平台。此前,对于汽车本身的无线通信和乘客在座舱内的影音娱乐需求,高通专门推出了QXM1910 AQ,可满足汽车制造商对于车规级Wi-Fi模组的要求。未来,在使用全新的射频前端模组后,将使高通在汽车领域的竞争力进一步提升。

提前布局,未来可期

除了大多数已使用高通模组的汽车厂商外,正在开发中的采用高通连接芯片的5G汽车、CPE和PC等,也都使用了其射频前端技术或组件。此外,高通的射频前端技术也正加速应用于消费物联网和工业物联网终端,这些都将推动其射频前端业务的持续增长。

在移动互联网的浪潮中,高通公司在手机平台方面的业务已取得十分优秀的成绩,已发布或出货的绝大部分安卓手机搭载的都是骁龙系列芯片,为消费者带来了极佳的使用体验。近年来,高通则完全是“站在自己的肩膀上”进行了多元化的战略布局,将自身的技术优势带到未来更具潜力的多个领域,其结果大概率会像高通总裁兼首席执行官安蒙所说的那样——高通正迎来史上最大的发展机遇。

虽然万物互联的时代还没有真正到来,但从很多领域的变革中已经可以窥见这种趋势。射频前端带来的通信能力的提升,不仅让各种终端在硬件上满足了需求,在软硬件结合AI、云计算等技术后出现的各类全新服务,才是这背后更重要的意义。




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