Чипсеты: Меньше = больше. Qualcomm RF360 универсальное сетевое Frond-End решение

В феврале 2013 года я виделся с Питером Карсоном, директором по маркетингу Qualcomm. Продолжительно говорили о таковой новинке компании, как чип WTR1625L, и вдобавок о новом front end ответе RF360. Это интервью опубликовано.
Тема была сложной и в один момент весьма занимательной, ей стоило выделить еще больше времени, исходя из этого мы кроме этого договорились, что разместим на MForum.ru более подробную статью, которую планировал подготовить господин Карсон.

Это, наконец, удалось сделать! Перевод текста столь сложной тематики занял много времени, так что лишь сейчас готов поделиться с интересующимися подробным русскоязычным описанием разработок, задействованных в ответах Qualcomm!

В современных мобильных устройствах площадь, отводимая под печатную плату (потом — ПП), есть таким же дефицитным ресурсом, как и спектр радиочастот для .развития сетей Как не пародоксально, как раз стремительное расширение дешёвого спектра за счет новых радиодиапазонов, предпринятое с целью повышения пропускной свойстве сетей, и стало обстоятельством того, что компонентам ПП стало тесно на предназначенной для них площади в смартфонах. Повышение числа диапазонов ведет к повышению числа дискретных компонентов микросхемы радиочастотного тракта, к примеру усилителей мощности, многодиапазонных тумблеров, дуплексных антенн и фильтров вместе с согласующими компонентами.

И в случае если еще учесть спрос на экраны повышенного размера, четырехядерные прикладные процессоры, компоненты связи, дополнительные модули и аккумуляторы, все из которых требуется заключить в элегантный и узкий форм-фактор, делается светло: выделить дополнительное место для микросхем радиочастотного тракта, хотя бы лишь для возможности помощи удвоенной, а иногда и утроенной, полосы пропускания, нужной для глобального роуминга в сетях LTE, в рамках единого узла нереально (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Ограниченное пространство ПП в простом смартфоне.

Для решения данной и других неприятностей Qualcomm Technologies Inc. (QTI) была создана высокоинтегрированная микросхема радиочастотного тракта Qualcomm® RF360 RF, по сути объединяющая все компоненты от модема до антенны — радиочастотный усилитель мощности, интегрированный с антенным тумблером, трансивер, датчик согласования отслеживания и блок антенны мощности огибающей. Подобный "интегрированный" подход к решению и упрощению бессчётных непростых задач сотовой микросхемы радиочастотного тракта, а также необходимости работы новых и поддержки диапазонов в устройствах разных размеров и характеристик, разрешает максимизировать привлекательность изделий, и взять значительные промышленные пользы от применения более компактных и неповторимых интегрированных узлов. Микросхема, объявленная в феврале для OEM-изделий с предполагаемым началом поставок в конце 2013 года, представляет собой созданную с "нуля" полноценную совокупность, которая кроме этого интерактивно взаимодействует с модемом, трансиверами и сенсорами устройства, разрешая взять неповторимый прирост производительности.

Проектно-конструкторский подход

На самом неспециализированном технологическом уровне главная задача конструкторов смотрелась так: преодолеть фрагментацию радиочастотных диапазонов, которая сопутствует расширению сетей 4G LTE (FDD и TDD) при сохранении сетей 2G и 3G, и поддерживать все соответствующие диапазоны в рамках одного устройства, либо, как минимум, меньшего числа интегрированных узлов, наряду с этим с учетом сложившихся пространственных ограничений и без ущерба для производительности.

На экономическом уровне конструкция микросхемы разрешает создавать ее в промышленном масштабе, экономя большие средства для производителей сотовых устройств. Вместо десяти разных узлов, разрешающих действенно поддерживать требуемые комбинации LTE-диапазонов в различных государствах мира, OEM-производителю достаточно трех, в противном случае и меньше, наряду с этим не требуется ни изменять топологию печатной платы, ни выделять больше места для ее монтажа.

Повышение числа радиочастотных диапазонов без повышения площади ПП

На данный момент число сотовых диапазонов уже превысило 40, что, с одной стороны, обосновано динамично растущим спросом на разные услуги, требующие большой пропускной способности сетей, а иначе формирует сложную проблему – обеспечить помощь большого громадного количества диапазонов на ограниченной площадки электронной платы современных мобильных устройств.

Дополнительно ее усложняет то, что OEM-производителям хочется приобретать большую прибыль от инвестиций, вложенныхв разработку собственных устройств. Но, дабы поддерживать диапазоны различных регионов, необходимо в один момент производить пара аппаратов. Вследствие этого производители мобильных устройств вынуждены разрабатывать пара предположений каждой модели с меньшими возможностями для массового производства, применяя ветхие ответы, каковые поддерживают ограниченный комплект радиочастотных диапазонов либо требуют применения нескольких чипсетов в одном устройстве для расширения его географии продаж.

Рисунок 2. Утраты мощности при отслеживании средней мощности (a)
в сравнении со сбережением мощности при отслеживании мощности огибающей (b).

Для решения проблемы повышения количества радиочастотных диапазонов Qualcomm создала единый узел для монтажа в плате, что трудится с любым сочетанием диапазонов и режимов (со всеми главными сотовыми режимами, начиная с GSM, и со всеми диапазонами соответствующими стандартам 3GPP), что снабжает глобальный роуминг в особенности, в сетях 4G LTE.

Как это вероятно? Учитывая, что до тех пор пока еще ни одно ответ не может трудиться со всеми радиочастотными диапазонами в мире, не прибегая к несложному наращиванию числа дискретных компонентов. Практически требуется объединить последовательность главных разработок, интегрировать и оптимизировать их работу в рамках единой "сквозной" совокупности Qualcomm.

Отслеживание огибающей мощности (Разработка Envelope Tracking)

Первой главной разработкой есть отслеживание огибающей мощности (Power Envelope Tracking, ET), которая разрешает мгновенно варьировать питание усилителя мощности в зависимости от трансформаций мощности, нужной для передачи сигнала. Это ход вперед в сравнении с классической разработкой отслеживания средней мощности average power tracking (APT), которая корректирует питание усилителя мощности ступенчатым образом не учитывая реально изменяющихся потребностей сигнала.

Непроизводительная трата энергии, появляющаяся наряду с этим, не только сокращает время работы от аккумулятора, но и генерирует избыточное тепло, для рассеивания которого требуется дополнительное пространство (см. Рисунок 2a). При отслеживания огибающей мощность передачи подается с учетом конкретных потребностей передаваемого сигнала (см. Рисунок 2b).

Обмен данных с модемом устройства дает датчику отслеживания огибающей мощности возможность корректировать мощность передачи в реальном времени с учетом мощности, требуемой для передачи контента. Подобная разработка, трудящаяся в связке с модемом, является первым в отрасли ответ, созданное для 3G/4G LTE, которое сокращает энергопотребление практически на 20 %, а теплообразование — практически на 30% (согласно данным анализа и тестирования QTI). Именно поэтому возрастает срок работы аккумулятора и значительно уменьшается площадь, нужная для отвода тепла в узком корпусе смартфона.

Рисунок 3 Трехмерное представление микросхемы радиочастотного тракта с КМОП RF POP.

Трудясь совместно с модемом, датчик отслеживания огибающей мощности определяет мгновенные трансформации в требуемой мощности и руководит усилителем мощности. Применение усилителей мощности на базе КМОП (комплементарной логики на транзисторах металл-оксид-полупроводниках) разрешает значительно увеличить уровень интеграции и, в возможности, реализовать всецело интегрированную однокристальную микросхему радиочастотного тракта.

Размещение на одном кристалле предполагает применение современных приемов 3D-компоновки, каковые на данный момент возможно использовать для микросхемы радиочастотного тракта.

Разработка RF POP

Второй главной разработкой, использованной Qualcomm в микросхеме радиочастотного тракта, стало использование первой в отрасли разработки послойного размещения, либо 3D-компоновки радиочастотных компонентов, известной как RF POP(tm). В базе этого решения лежит усовершенствованная 3D-компоновка, разрешающая интегрировать в базисном блоке однокристальный многорежимный антенный переключатель и усилитель мощности, объединить дуплексные антенны и фильтры на одной подложке и после этого наложить подложку на базисный блок для получения единого "трехмерного" чипсета.

Наряду с этим значительно уменьшается неспециализированная сложность совокупности и устраняется необходимость в проводном монтаже, что в большинстве случаев употребляется при производстве современных микросхем радиочастотного тракта. Блок с интегрированным усилителем мощности и антенный тумблер образуют базисный уровень подложки, что занимает одну площадь независимо от устройства. Блок с дуплексными антеннами и фильтрами, что возможно приспособить к работе с разными сочетаниями диапазонов в различных регионах мира, накладывается поверх базисного слоя с антенным переключателем и усилителем мощности подобно настраиваемой "крыше" на универсальном "фундаменте".

Оказавшаяся совокупность толщиной один миллиметр занимает половину площади, ранее отводившейся для прошлых микросхем радиочастотного тракта Qualcomm. Принципиально важно еще да и то, что адаптация устройств для разных регионов не требует трансформаций топологии печатной платы, потому, что базисный уровень с антенным переключателем и усилителем мощности остается без трансформаций (см. Рисунок 3).

Рисунок 4. Классическая конструкция микросхемы радиочастотного тракта с параллельным размещением компонентов

В базе данной совокупности лежит архитектура, талантливая поддерживать LTE-диапазоны от 700 МГц до 2,7 ГГц в мире наровне с диапазонами 2G/3G. Характеристики совокупности разрешают упростить адаптацию к местным радиочастотным диапазонам, сведя ее к некоторым несложным трансформациям в конфигурации "крыши". Ответ RF POP разрешает заменить от десяти и более разных вариантов ПП двумя либо тремя вариантами, удовлетворяющими потребностям OEM-производителей в мире, потому, что в рамках одной топологии ПП возможно реализовать разные частотные конфигурации. Результатом есть возможность масштабного промышленного развития устройств для LTE-сетей, как то случилось при появлении возможности поддерживать четыре диапазона для GSM-устройств и пять диапазонов для 3G-устройств.

Для сравнения: в классических модульных ПП употребляются сочетания разных компонентов (как на базе арсенида галлия GaAs, так и на базе КМОП), каковые лично варьируются с учетом устройства чтобы получить оптимальное решение в рамках рабочей среды одного устройства. Создать устройство, поддерживающее широкий спектр разных сред, — еще более непростая задача. Ее ответ в некоторых случаях требует комбинации разных совокупностей в рамках одного устройства. Для совокупностей с параллельным размещением компонентов требуется пара усилителей мощности (в зависимости от комбинации частот), больше отдельных микросхем и сопутствующий этому проводной монтаж, что ухудшает уровень качества интеграции из-за ввода излучаемых дополнительной необходимости и помех согласовывать полное сопротивление. При расширения нужного числа диапазонов требуется изменение платы, а время от времени и повышение ее размеров, что сокращает ее пригодность к массовому производству (см.

Рисунок 4).

Адаптивная настройка антенны

Третьей главной разработкой есть адаптивная настройка антенны.

В области радиочастотных совокупностей еще одной проблемой, усугубляемой рвением производителей к созданию все более узких и компактных устройств, есть минимальное расстояние между головой пользователей и руками и антенной, почему антенна теряет целевую частоту и, как следствие, сигнал с базисной станции (и это не учитывая физического действия руки и/либо головы на затухание сигнала). В ответ на это с базисной станции на устройство поступает команда расширить мощность передачи для компенсации утраты сигнала. Повышение мощности передачи активизирует разрядку аккумулятора.

А вдруг устройство уже трудится с большой мощностью передачи, то ухудшается уровень качества вызова либо происходит его разъединение (см. Рисунок 5).

Рисунок 5. В классической микросхеме радиочастотного тракта расстройка ведет к повышению мощности либо разъединению вызова.

Рисунок 6. В Qualcomm RF 360 расстройка приводит к перестройке.

Отличие нового ответа пребывает в том, что совокупность Qualcomm трудится с датчиками устройства, каковые выявляют потерю усиления и расстройку антенны, а модем отдает в блок согласования антенны команду повторно настроить антенну на верную частоту. Именно поэтому устраняется необходимость увеличивать мощность для компенсации внеполосной передачи. Мощность возрастает ровно так, как этого требует необходимость компенсировать затухание, вызываемое физической помехой (см.

Рисунок 6).

Работа усилителя мощности

В ответе Qualcomm RF360 употребляется комплексная совокупность, которая разрешает применять микросхему радиочастотного тракта на базе КМОП, традиционно считавшейся неспособной соответствовать требованиям к мощности в сотовых устройствах в отличие от модульного подхода, сочетающего применение компонентов на базе арсенида галлия и КМОП. Но опробования QTI продемонстрировали, что при условии применения лишь одной современной технологии отслеживания огибающей мощности, вероятной благодаря интеграции КМОП, характеристики мощности передачи (потребления энергии для произведенной мощности передачи) ответа Qualcomm весьма близки приобретаемым классическими усилителями мощности, каковые сейчас применяют отслеживание средней мощности на различных уровнях мощности передачи (см.

Рисунок 7).

Рисунок 7. Сравнение черт усилителей мощности

Рисунок 8. Особенности применения мощности передачи

На разных уровнях мощности ответ Qualcomm с отслеживанием огибающей и классическое ответ с отслеживанием средней мощности имеют незначительные отличия. Оптимизация совокупности разрешает действенно применять ее для получения большого времени работы устройства в режиме лучших характеристик и разговора передачи данных во всех диапазонах мощности, чаще всего применяемых в реальности (см.

Рисунок 8). Об этом по данным, полученные QTI на протяжении опробований в коммерческих сетях сельских районов Калифорнии с 8:00 до 18:00 в течении семи дней в 2013 году и в Лос-Анджелесе с 6:00 до 19:00 в течение одного дня в 2011 году. Более того, совокупность демонстрирует характеристики, подобные классическим усилителям мощности кроме того за пределами этих чаще всего применяемых диапазонов мощности передачи.

При анализе черт мощности с учетом настоящих изюминок распределения применения в верхних и нижних диапазонах оказывается, что неспециализированное энергопотребление при применении ответа Qualcomm RF360 находится фактически на одном уровне с классическими усилителями мощности в сельской местности и демонстрирует пара лучшие показатели в городе (см.

Рисунок 9).

Рисунок 9. Сравнение неспециализированного энергопотребления с учетом применения.

Рисунок 10.

Изменение черт потребления мощности передачи при настройке антенны.

Необходимо заметить, что в этих сравнениях черт не учитываются эффект, полученный от применения точных аналоговых схем, оптимизирующих работу датчиков слежения и усилителей мощности мощности огибающей, к примеру, методом добавления нескольких программируемых состояний усиления. В сравнении кроме этого не учитывалась более действенная настройка антенны. По итогам тестов QTI настройка антенны дает усиление 2 дБ, что привело бы к смещению частоты кривых применения мощности передачи "влево" на –2 дБ в чертях применения (см. Рисунок 10).

Если бы в анализе эффективности учитывалось это смещенное распределение частоты применения мощности передачи, то неспециализированное энергопотребление выяснилось бы еще ниже. Так, кроме того не учитывая результата, приобретаемого от настройки усилителя антенны и оптимизации мощности, неспециализированная производительность совокупности отвечает современным требованиям и сопоставима с эффективностью уже существующих микросхем радиочастотного тракта. Наряду с этим для ПП отводится значительно меньше места, а масштабируемость радиочастотных диапазонов намного выше.

Выводы

В микросхеме радиочастотного тракта воплощен множество инновационных разработок:

Первый всецело интегрированный многорежимный многодиапазонный усилитель мощности на КМОП в монолитном корпусе с интегрированным антенным тумблером

Первая многослойная совокупность RF POP (с 3D-компоновкой), которая сокращает место, занимаемое микросхемой радиочастотного тракта, в один момент разрешая применять неспециализированную топологию ПП, упростить адаптацию либо расширение радиочастотных диапазонов

Первый усилитель мощности на базе КМОП для LTE

Первый усилитель мощности на базе КМОП с отслеживанием огибающей

Первый динамически настраиваемый многорежимный блок настройки антенны для сетей LTE

В целом, первая всецело интегрированная микросхема радиочастотного тракта на базе КМОП, включающая все — от модема до антенны

Главными факторами разработки ответа стали повышение количества LTE-диапазонов во всем мире, осложнившее экономически действенное производство мобильных устройств в промышленных масштабах, и необходимость размещать все компоненты ПП на весьма ограниченном пространстве. Применение RF POP разрешает применять в любой стране мира неспециализированную конструкцию платы, поддерживающую упрощенное расширение либо адаптацию радиочастотных диапазонов, и тем самым открыть новые возможности в области дизайна устройств и их производства. Уменьшение площади микросхемы радиочастотного тракта, размера и тепловыделения, и увеличение срока работы аккумулятора — факторы, разрешающие создавать элегантные узкие замечательные и действенные устройства. Помимо этого, поставки образцов ответа уже начались — это разрешит заблаговременно готовиться к масштабному производству устройств для сетей LTE и обеспечить помощь глобального роуминга.

Авторы: Питер Карсон и Стив Браун, Qualcomm

© Алексей Бойко, MForum.ru

Комментарии и пинги к записи запрещены.

Комментарии закрыты.