手機(jī)射頻前端模塊化趨勢大講解

自從多模多頻功放問世以來，一直都有人和筆者探討射頻前端開始了模塊化趨勢，慢慢走向了模塊化設(shè)計(jì)主導(dǎo)的思路，射頻工程師以后就沒有工作要干了，所有工作都是芯片供應(yīng)商來完成的。其實(shí)不然，今天我們就基于這個(gè)認(rèn)識來談?wù)勔苿?dòng)終端射頻前端模塊化在產(chǎn)業(yè)鏈上的重要性以及筆者自己的一些見解。

1、射頻前端模塊化的前世今生

我們在六七年前做3G的時(shí)候，絕大多數(shù)項(xiàng)目都采用的是分立方案來進(jìn)行設(shè)計(jì)。為什么那時(shí)候沒有模塊化設(shè)計(jì)思想呢?這就要拉起整個(gè)無線通訊發(fā)展的歷史階段去談在每個(gè)特定時(shí)期產(chǎn)品對設(shè)計(jì)方案的需求不一樣來討論了。

我們以前經(jīng)常背誦：3G包括，WCDMA、TDS-CDMA、CDMA2000和WiMAX。其實(shí)從這幾種制式來看，做到現(xiàn)在的就剩下前三種了，前三種做的最多就剩下WCDMA了，我們就以WCDMA為例來說。WCDMA的頻段當(dāng)時(shí)只有Band1/2/3/4/5/8，最常用的只有Band1/2/5/8，大多數(shù)項(xiàng)目最多也就支持這四個(gè)頻段，而且市面上最流行的就是傳說中的3X3封裝的PA，所有廠家的都是可以兼容的，如圖1。再加上GSM四個(gè)頻段就可以組成一個(gè)全球頻段的手機(jī)了，加之當(dāng)時(shí)大多數(shù)是feature phone，smart phone也是剛開始發(fā)展，所以給射頻留下的發(fā)揮空間是非常大的，包括設(shè)計(jì)面積、天線性能等都沒有現(xiàn)在那么高的要求，所以整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都不會想到去把射頻前端做成模塊化的產(chǎn)品，可以想象一下，如果那時(shí)候就做一個(gè)模塊化的產(chǎn)品的話，要么就是大賣發(fā)大財(cái)，要么就是沒人用，因?yàn)槟菚r(shí)候的技術(shù)真的不是什么門檻，那時(shí)候的射頻前端四件套就是：功放PA、 雙工器DXP、濾波器Filter和天線開關(guān)ASM，就和現(xiàn)在的WiFi一樣了，如果模塊化成功，我們就真的只需要做測試了。但是那時(shí)候很多廠家也有了射頻前端模塊化的概念了，圖2就是將分立的中頻PA和低頻PA集成到一起，這樣面積又可以節(jié)省很多，雖然這樣集成沒有大賣特賣，但是它標(biāo)志著射頻前端模塊化的思想已經(jīng)開始萌芽了。

圖1、3X3 封裝分立PA

圖2、中頻+低頻雙頻PA

大概從2012年開始，LTE已經(jīng)開始出現(xiàn)了，剛開始時(shí)，頻段還是比較少的，就是把WCDMA那個(gè)幾個(gè)頻段升級到支持LTE，當(dāng)然了，射頻前端包括PA(LTE PA對3G PA進(jìn)行了優(yōu)化，提高了線性度，向下兼容的，可以支持3G)、雙工器、濾波器和天線開關(guān)都把3G時(shí)候的繼承了下來，那時(shí)候大家也還都沒有想到LTE后來兩年時(shí)間發(fā)展的很快了，其實(shí)那一年就是一個(gè)過渡階段而已，但很可惜的是，那時(shí)候還沒有像樣的多模多頻段PA出來。

到了2013年，LTE就開始突飛猛進(jìn)的發(fā)展了，商用頻段發(fā)瘋式的增加，我們在開發(fā)的時(shí)候要問每個(gè)廠家是否有一大堆頻段的PA，很慶幸的是，那時(shí)候大多數(shù)頻段的分立PA都是有的，大多數(shù)頻段的雙工器也是有的，同時(shí)又鼓舞人心的是出現(xiàn)了多模多頻段PA，with GIPO controller，這也算是一個(gè)很大程度上的變革了，那一年，是那么依稀可見的回憶在腦海中，那一年真正的開始了LTE大規(guī)模商用。如3就是多模多頻PA，可以說這種結(jié)構(gòu)的PA生命周期還沒有結(jié)束，我們都還在大規(guī)模的應(yīng)用著，只不過是將過去的GPIO controller換成了一個(gè)神奇而且恰到好處出現(xiàn)的MIPI controller，在控制方式上又有了多樣性。MIPI的原理和作用在此就不用贅述了，度娘恭候你的請教。

圖3、LTE階段多模多頻PA

大概從2015年開始，很多射頻前端模塊廠商開始推出了將功放、雙工器、濾波器、天線開關(guān)集成到一起的模塊，工程師在開發(fā)產(chǎn)品時(shí)，只需要將MIPI寄存器配置成功就可以驅(qū)動(dòng)起整個(gè)模塊了，也不再需要頻段by頻段的去做硬件匹配調(diào)試了，從這方面來看，射頻前端開發(fā)或許已經(jīng)走進(jìn)了一個(gè)新時(shí)代，確實(shí)能夠發(fā)現(xiàn)，包括現(xiàn)在，或許再包括往后的幾年內(nèi)，這種模塊化的設(shè)計(jì)依然是非常流行的。圖4就是所謂all in one模塊?，F(xiàn)在大的手機(jī)廠家對中高端機(jī)型都使用了這種模塊化設(shè)計(jì)方案，后面我們再舉實(shí)例和大家分享。

圖4、LTE階段的射頻前端模塊

其實(shí)，總結(jié)起來，模塊化射頻前端方案設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力就是：LTE的發(fā)展帶來多頻段的需求，中高端機(jī)型的功能增多導(dǎo)致手機(jī)主板上射頻前端布局面積越來越緊俏，模塊化的設(shè)計(jì)方案可以縮短項(xiàng)目開發(fā)周期和減少開發(fā)過程中出現(xiàn)的問題。

2、射頻前端模塊的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

如上面談的，模塊化的方案可以縮短項(xiàng)目開發(fā)周期和減少開發(fā)過程中遇到的各種各樣的問題，如下：

第一，“車到山前必有路”已經(jīng)行不通了。對市場需求的把握，其實(shí)這不僅僅是技術(shù)上的問題，說白了技術(shù)就是方案集成，相信有經(jīng)驗(yàn)的廠家在技術(shù)上都可以把握的，比較難的就是，設(shè)計(jì)出來的射頻前端模塊是否能滿足市場的需求，是否能滿足客戶的需求。比如，我們都知道大而全的東西是最好的，但是如果設(shè)計(jì)出來的一個(gè)模塊是大而全的，把全球的頻段需求都可以包含在內(nèi)，這固然是最好的，但是勢必這個(gè)模塊的成本就會大大增加了，到了客戶那里，或許人家不需要這么多的需求，或許人家按照區(qū)域去做，雖然你的產(chǎn)品可以滿足客戶需求，但是也會浪費(fèi)很多沒有需求內(nèi)容，在這個(gè)行業(yè)競爭激烈和拼價(jià)格的時(shí)代，性價(jià)比勢必就會降低很多。這只是一個(gè)例子，其實(shí)做模塊化的東西要把握的方向特別多，風(fēng)險(xiǎn)也特別大，除非像果果和星星那樣財(cái)大氣粗的客戶，定制定制再定制，做出來的東西就能賣出去，那樣才是大家贏的陽光產(chǎn)業(yè)了。

第二，標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)件的東西設(shè)計(jì)出來風(fēng)險(xiǎn)低，但是后來者也勢必不能占有太大的市場，只能跟著別人后面喝喝稀飯而已;非標(biāo)準(zhǔn)件或許就不一樣了，自己是第一個(gè)吃螃蟹的，如果做成了，大家都喜歡用，那就發(fā)財(cái)無可限量了，但是如果大家都不感冒，等待自己的就是一堆死灰了。說實(shí)話，高集成度的設(shè)計(jì)很難去做標(biāo)準(zhǔn)件的，因?yàn)槊總€(gè)廠家每種方案的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)都是不一樣的，這樣在果果的機(jī)子上也是很顯而易見的，果果的機(jī)子上大多數(shù)都是自己定制的，這樣其實(shí)對供方和客戶都是有好處的，可以降低產(chǎn)品的供貨風(fēng)險(xiǎn)，也不會讓供方有任何風(fēng)險(xiǎn)可以承擔(dān)。

第三，模塊設(shè)計(jì)的周期和上市時(shí)間的把握。集成度高的模塊設(shè)計(jì)周期肯定相對于集成度低的設(shè)計(jì)周期要長，這就要求在設(shè)計(jì)初期就要透徹的了解上市窗口期內(nèi)的動(dòng)向，如果周期過長，沒有趕上產(chǎn)品上市窗口期，那就意味著你已經(jīng)被市場甩開了距離，再好的東西也只能在旁邊看著別人發(fā)大財(cái)了。

曾經(jīng)有同行再問，通信行業(yè)往后的出路到底是什么?其實(shí)，這個(gè)問題比較大，筆者認(rèn)為分為狹義和廣義的理解去回答可能更好一些。

狹義的通信，尤其是我們做無線通信的人，要么就是基站，要么就是手機(jī)，要么就是微波領(lǐng)域等等，每個(gè)領(lǐng)域有存在的理由，也有存在的生命周期。拿我們的移動(dòng)終端領(lǐng)域來說，在2G時(shí)代，大家都在迷茫著下一代是什么?3G那時(shí)候在培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的廣告語上很流行，其實(shí)這些人真的也很厲害，要么是行業(yè)內(nèi)的，要么就是有行業(yè)利益的，他們很早都預(yù)測到了3G是一個(gè)潮流，3G技術(shù)當(dāng)然也是一個(gè)掙錢的手段了，當(dāng)然了，他們可能本身的就認(rèn)為3G就是3G技術(shù)，而不理解3G里面還有那么多門門道道的;在3G做到后期的時(shí)候，大家都說4G還遠(yuǎn)著，3G已經(jīng)這么快的速率到了，再加上HSPA和HSPA+技術(shù)，已經(jīng)綽綽有余，然后我們那時(shí)候就是鄉(xiāng)下人，或許根本不理解什么叫技術(shù)的發(fā)展，什么叫技術(shù)的革新。說實(shí)話，喬幫主為4G發(fā)展也做了很大的貢獻(xiàn)，一個(gè)叫智能手機(jī)的東西從有了果果手機(jī)之后才發(fā)展壯大了，雖然之前也有只能手機(jī)問世。當(dāng)然了，Android也是將智能手機(jī)普及于大眾之中最大的功臣。智能手機(jī)的問世也將4G帶到了一個(gè)新高度，現(xiàn)在大家可以說一機(jī)在手，萬事不愁。前幾年筆者還認(rèn)為無現(xiàn)金消費(fèi)怎么可能呢?我們傳統(tǒng)的人們都喜歡將紙幣裝在棉衣口袋里才感覺是最安全的，但是到今天來看，我們out了，現(xiàn)在基本上帶一個(gè)手機(jī)就能行遍天下，就連地?cái)偱赃叾紩乓粋€(gè)二維碼讓你買單了。大家再去想想，我們下一代終端會是什么東西呢?其實(shí)每個(gè)技術(shù)的發(fā)展都是有著人們強(qiáng)大的需求欲望的做后盾的。大家還可以自己根據(jù)每個(gè)通信行業(yè)去狹義的分析下無線通信到底出路在哪里?

廣義的無線通信就更多了，只要和我們可以說我們現(xiàn)在絕大部分行業(yè)都和無線通信有著千絲萬縷的關(guān)系，相輔相成的存在著我們的生活中，所以這些都是通信行業(yè)的發(fā)展推力。說的有些遠(yuǎn)了，繼續(xù)下文主題。

3、模塊化設(shè)計(jì)對射頻工程師的要求

回到本文主題，我們射頻的模塊化發(fā)展也在無線通信行業(yè)發(fā)展中起著無可替代的作用，還是回答剛開始很多同行問的幾個(gè)問題：

第一，射頻工程師的后路是什么?

問了這個(gè)問題的人都是真的想做事情的人，我們做技術(shù)的人都有一個(gè)通病就是技術(shù)做多了，就忘記了看外邊的世界是什么樣的。“不識廬山真面目，只緣身在此山中。”就可以回答這個(gè)問題了。很多趨勢的東西是很難由個(gè)人的意志而轉(zhuǎn)移的，我們只能去接受現(xiàn)實(shí)，就和射頻模塊化趨勢一樣，我們要想我們有什么能做的?大多數(shù)射頻工程師認(rèn)為調(diào)試匹配就是工作，我們只能說調(diào)匹配是射頻工程師的最最最基本的基本功而已，這就可以想到了，模塊化的產(chǎn)品已經(jīng)將調(diào)匹配這部分工作很大一部分給消滅了，我們剩下的工作就是要去理解如何去評估一個(gè)模塊的選擇，要如何去合適的選擇一個(gè)模塊，為什么果果手機(jī)會選擇這個(gè)模塊，為什么星星手機(jī)會選擇那個(gè)模塊，為什么這個(gè)模塊集成度更高而且性能更好，為什么這個(gè)模塊只是集成了一部分或者是個(gè)閹割版的?這些就是我們現(xiàn)在要回答的問題，回答這些問題要做的工作就是我們射頻工程師要做的大部分工作了。

第二， 接第一點(diǎn)，我們怎么才能回答那些問題呢?就是我們應(yīng)該去掌握哪些知識和技術(shù)?

很簡單，在這里可以總結(jié)之前的《一個(gè)射頻工程師的自我修養(yǎng)》的提綱了?；A(chǔ)很重要，當(dāng)然了，很多具體的問題都是在基礎(chǔ)的調(diào)試、測試等一線工作中才能看到并解決的;再者就是提高了，就是所講的一名優(yōu)秀的射頻工程師，這個(gè)層次的射頻工程師就是射頻行業(yè)中比較吃香的人，也是基本上可以隨意找到一個(gè)滿意工作的人;再往上就是把握方向的系統(tǒng)級工程師的，前兩個(gè)層次磨練下才有可能成為一個(gè)合格的系統(tǒng)工程師，只是有可能成為，或者很多年后還是一名射頻工程師，這里沒有歧視，只是每個(gè)人的分工不同而已。說到最后就是我們在模塊化的產(chǎn)品開發(fā)中，最需要的就是系統(tǒng)工程師了，實(shí)際的評估結(jié)果基本就和產(chǎn)品最終的形態(tài)基本一致了，要想了解詳細(xì)的，可以看看《一個(gè)射頻工程師的自我修養(yǎng)》，再這里不再贅述。

4、模塊化設(shè)計(jì)帶來的優(yōu)點(diǎn)

射頻前端模塊化趨勢是有助推因素的，是有了需求才有這樣的技術(shù)，而不是有這樣的技術(shù)才有這樣的需求的。在這里就簡單說一下我們?yōu)槭裁葱枰漕l前端模塊化：

第一，終端小型化的趨勢。現(xiàn)在終端的小型化，已經(jīng)讓我們沒有辦法再用PA加濾波器加開關(guān)的方式去進(jìn)行設(shè)計(jì)了，起初當(dāng)你很自信的想著我肯定能搞定時(shí)，往往事實(shí)總是帶來沉重的打擊和毫無還手余地的無奈，那無數(shù)個(gè)頻段和CA組合總是讓我們在忙亂中迷茫。下圖是果果7的拆機(jī)圖，你可以想象下我們能利用的主板到底有多大，尤其是射頻電路：

第二，容易設(shè)計(jì)。隨著LTE的發(fā)展，現(xiàn)在3GPP上定義的頻段就有幾十個(gè)，我們一般終端上要支持和全球模的頻段也有十幾個(gè)，再加上載波聚合技術(shù)和MIMO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，讓射頻前端設(shè)計(jì)復(fù)雜度直線上升，同時(shí)也出現(xiàn)了四工器，六功器，分頻器等變態(tài)的器件，讓射頻鏈路上的器件可以達(dá)到五六種以上，也讓鏈路預(yù)算有了很大的不確定性，這樣就根本不會給我們考慮的時(shí)間，分離方案的實(shí)現(xiàn)可能性幾乎為0，市場上的產(chǎn)品基本都是模塊相互連接嵌套實(shí)現(xiàn)的，可以看到下圖是市場上幾款流行的旗艦機(jī)的模塊化使用情況：

第三，高標(biāo)準(zhǔn)的量產(chǎn)一致性和低PPM。如第二點(diǎn)，如果用分立電路搭建復(fù)雜需求的射頻電路，很難保證量產(chǎn)一致性的，在每個(gè)器件的PPM都要保證的前提下才能保證產(chǎn)品的低PPM，大家不妨可以自己估算一下是不是這樣的;

第四，簡化故障排查。射頻前端模塊化的產(chǎn)品會讓射頻工程很大程度上提高師處理故障的效率，不必去在復(fù)雜系統(tǒng)中用復(fù)雜低效的實(shí)驗(yàn)區(qū)一步一步去找問題，前提是模塊本身已經(jīng)經(jīng)過各種產(chǎn)品的考驗(yàn)了。

第五，維修方便。射頻問題一直是手機(jī)硬件中問題最多的一個(gè)專業(yè)，模塊化的射頻前端可以提高射頻工程師做RMA分析的效率，同時(shí)也可以提高售后進(jìn)行產(chǎn)品維修的效率并降低損壞率。

總之，射頻前端模塊化趨勢已經(jīng)到來，以后對我們射頻工程師的考驗(yàn)也越來越多，這個(gè)行業(yè)還會有更大的發(fā)展前途。