手機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計主導的思路，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商來完成的。其實不然，今天我們就基于這個認識來談談移動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的時候，絕大多數(shù)項目都采用的是分立方案來進行設計。為什么那時候沒有模塊化設計思想呢？這就要拉起整個無線通訊發(fā)展的歷史階段去談在每個特定時期產(chǎn)品對設計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的頻段當時只有Band1/2/3/4/5/8，最常用的只有Band1/2/5/8，大多數(shù)項目最多也就支持這四個頻段，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四個頻段就可以組成一個全球頻段的手機了，加之當時大多數(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，包括設計面積、天線性能等都沒有現(xiàn)在那么高的要求，所以整個產(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，如果那時候就做一個模塊化的產(chǎn)品的話，要么就是大賣發(fā)大財，要么就是沒人用，因為那時候的技術真的不是什么門檻，那時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，頻段還是比較少的，就是把WCDMA那個幾個頻段升級到支持LTE，當然了，射頻前端包括PA（LTE PA對3G PA進行了優(yōu)化，提高了線性度，向下兼容的，可以支持3G）、雙工器、濾波器和天線開關都把3G時候的繼承了下來，那時候大家也還都沒有想到LTE后來兩年時間發(fā)展的很快了，其實那一年就是一個過渡階段而已，但很可惜的是，那時候還沒有像樣的多模多頻段PA出來。

到了2013年，LTE就開始突飛猛進的發(fā)展了，商用頻段發(fā)瘋式的增加，我們在開發(fā)的時候要問每個廠家是否有一大堆頻段的PA，很慶幸的是，那時候大多數(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)模的應用著，只不過是將過去的GPIO controller換成了一個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、天線開關集成到一起的模塊，工程師在開發(fā)產(chǎn)品時，只需要將MIPI寄存器配置成功就可以驅(qū)動起整個模塊了，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)走進了一個新時代，確實能夠發(fā)現(xiàn)，包括現(xiàn)在，或許再包括往后的幾年內(nèi)，這種模塊化的設計依然是非常流行的。圖4就是所謂all in one模塊。現(xiàn)在大的手機廠家對中高端機型都使用了這種模塊化設計方案，后面我們再舉實例和大家分享。

圖4、LTE階段的射頻前端模塊

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

2、射頻前端模塊的設計難點

如上面談的，模塊化的方案可以縮短項目開發(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，其實這不僅僅是技術上的問題，說白了技術就是方案集成，相信有經(jīng)驗的廠家在技術上都可以把握的，比較難的就是，設計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，但是如果設計出來的一個模塊是大而全的，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，但是也會浪費很多沒有需求內(nèi)容，在這個行業(yè)競爭激烈和拼價格的時代，性價比勢必就會降低很多。這只是一個例子，其實做模塊化的東西要把握的方向特別多，風險也特別大，除非像果果和星星那樣財大氣粗的客戶，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，標準件和非標準件的設計。標準件的東西設計出來風險低，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；非標準件或許就不一樣了，自己是第一個吃螃蟹的，如果做成了，大家都喜歡用，那就發(fā)財無可限量了，但是如果大家都不感冒，等待自己的就是一堆死灰了。說實話，高集成度的設計很難去做標準件的，因為每個廠家每種方案的設計思路和技術都是不一樣的，這樣在果果的機子上也是很顯而易見的，果果的機子上大多數(shù)都是自己定制的，這樣其實對供方和客戶都是有好處的，可以降低產(chǎn)品的供貨風險，也不會讓供方有任何風險可以承擔。

第三，模塊設計的周期和上市時間的把握。集成度高的模塊設計周期肯定相對于集成度低的設計周期要長，這就要求在設計初期就要透徹的了解上市窗口期內(nèi)的動向，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，這個問題比較大，筆者認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，要么就是微波領域等等，每個領域有存在的理由，也有存在的生命周期。拿我們的移動終端領域來說，在2G時代，大家都在迷茫著下一代是什么？3G那時候在培訓機構(gòu)的廣告語上很流行，其實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，他們很早都預測到了3G是一個潮流，3G技術當然也是一個掙錢的手段了，當然了，他們可能本身的就認為3G就是3G技術，而不理解3G里面還有那么多門門道道的；在3G做到后期的時候，大家都說4G還遠著，3G已經(jīng)這么快的速率到了，再加上HSPA和HSPA+技術，已經(jīng)綽綽有余，然后我們那時候就是鄉(xiāng)下人，或許根本不理解什么叫技術的發(fā)展，什么叫技術的革新。說實話，喬幫主為4G發(fā)展也做了很大的貢獻，一個叫智能手機的東西從有了果果手機之后才發(fā)展壯大了，雖然之前也有只能手機問世。當然了，Android也是將智能手機普及于大眾之中最大的功臣。智能手機的問世也將4G帶到了一個新高度，現(xiàn)在大家可以說一機在手，萬事不愁。前幾年筆者還認為無現(xiàn)金消費怎么可能呢？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)在基本上帶一個手機就能行遍天下，就連地攤旁邊都會放一個二維碼讓你買單了。大家再去想想，我們下一代終端會是什么東西呢？其實每個技術的發(fā)展都是有著人們強大的需求欲望的做后盾的。大家還可以自己根據(jù)每個通信行業(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。說的有些遠了，繼續(xù)下文主題。

3、模塊化設計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問題：

第一，射頻工程師的后路是什么？

問了這個問題的人都是真的想做事情的人，我們做技術的人都有一個通病就是技術做多了，就忘記了看外邊的世界是什么樣的?！安蛔R廬山真面目，只緣身在此山中。”就可以回答這個問題了。很多趨勢的東西是很難由個人的意志而轉(zhuǎn)移的，我們只能去接受現(xiàn)實，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模塊的選擇，要如何去合適的選擇一個模塊，為什么果果手機會選擇這個模塊，為什么星星手機會選擇那個模塊，為什么這個模塊集成度更高而且性能更好，為什么這個模塊只是集成了一部分或者是個閹割版的？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，我們怎么才能回答那些問題呢？就是我們應該去掌握哪些知識和技術？

很簡單，在這里可以總結(jié)之前的《一個射頻工程師的自我修養(yǎng)》的提綱了?；A很重要，當然了，很多具體的問題都是在基礎的調(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，前兩個層次磨練下才有可能成為一個合格的系統(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，要想了解詳細的，可以看看《一個射頻工程師的自我修養(yǎng)》，再這里不再贅述。

4、模塊化設計帶來的優(yōu)點

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，而不是有這樣的技術才有這樣的需求的。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加濾波器加開關的方式去進行設計了，起初當你很自信的想著我肯定能搞定時，往往事實總是帶來沉重的打擊和毫無還手余地的無奈，那無數(shù)個頻段和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：

圖5、iPhone7 主板大小比例

第二，容易設計。隨著LTE的發(fā)展，現(xiàn)在3GPP上定義的頻段就有幾十個，我們一般終端上要支持和全球模的頻段也有十幾個，再加上載波聚合技術和MIMO技術的實現(xiàn)，讓射頻前端設計復雜度直線上升，同時也出現(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到五六種以上，也讓鏈路預算有了很大的不確定性，這樣就根本不會給我們考慮的時間，分離方案的實現(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現(xiàn)的，可以看到下圖是市場上幾款流行的旗艦機的模塊化使用情況：

圖6、三星S8射頻前端布局

圖7、華為P10射頻前端布局

圖8、iPhone7 射頻前端布局

第三，高標準的量產(chǎn)一致性和低PPM。如第二點，如果用分立電路搭建復雜需求的射頻電路，很難保證量產(chǎn)一致性的，在每個器件的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，不必去在復雜系統(tǒng)中用復雜低效的實驗區(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)品的考驗了。

第五，維修方便。射頻問題一直是手機硬件中問題最多的一個專業(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，同時也可以提高售后進行產(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也越來越多，這個行業(yè)還會有更大的發(fā)展前途。