拆解使用高通5G方案的第一代5G手機(jī)，他們都有怎樣的同與不同。
文︱Wayne Lam
譯︱TechSugar編輯部
圖︱網(wǎng)絡(luò)
概述：
- 早期的5G智能手機(jī)設(shè)計(jì)大多使用高通調(diào)制解調(diào)器和射頻前端（RFFE）組件。
- 高通目前為智能手機(jī)提供業(yè)界唯一商用的毫米波5G調(diào)制解調(diào)器到天線（modem-to-antenna）的設(shè)計(jì)方案。
- 5G RFFE組件成本占整個(gè)RFFE很大一部分，mmWave驅(qū)動(dòng)的RFFE增長最為顯著。
- 采用成熟的商用調(diào)制解調(diào)器和RFFE解決方案，原始設(shè)備制造商（OEM）將開發(fā)工作集中于手機(jī)的整體設(shè)計(jì)上。
- 憑借其先發(fā)優(yōu)勢，高通有望在5G智能手機(jī)的半導(dǎo)體支出中占據(jù)更大份額。
目前，IHS Markit已抽樣調(diào)查了6家擁有5G智能手機(jī)的OEM廠商，其中5家廠商在RFFE部分采用了同種方案——由高通提供的完整的5G RFFE解決方案。這不僅體現(xiàn)了高通作為調(diào)制解調(diào)器主要供應(yīng)商的重要地位，也說明了高通在將行業(yè)領(lǐng)先的調(diào)制解調(diào)器到天線解決方案推向市場方面愈加專業(yè)。高通擊敗了現(xiàn)有的RFFE組件供應(yīng)商，并且顛覆了5G領(lǐng)域的RFFE市場。
與之前向4G過渡時(shí)，智能手機(jī)落后于網(wǎng)絡(luò)部署的情況不同，5G智能手機(jī)在5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的第一天就可以使用。并且，智能手機(jī)是展示5G功能的主要設(shè)備。IHS Markit從6家OEM廠商那里取樣了7款獨(dú)特的5G智能手機(jī)。早期5G設(shè)備中OEM廠商品牌的多樣性是前所未有的，這為射頻技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。以前，只有技術(shù)能力更強(qiáng)的OEM廠商才會(huì)率先推出新一代無線手機(jī)，然而現(xiàn)如今的5G時(shí)代，我們也看到了那些新型的或規(guī)模較小的OEM廠商，如小米、Oppo和OnePlus——10年前4G轉(zhuǎn)型期間，它們大都還不出名。
適應(yīng)5G新頻譜
早期的5G網(wǎng)絡(luò)是 “非獨(dú)立”的，這意味著5G無線連接需要一個(gè)錨定LTE信號(hào)。對于RFFE的設(shè)計(jì)來說，LTE和5G將有兩種不同的RF路徑。由于LTE-A的功能（例如載波聚合和多頻段支持）已使RFFE的設(shè)計(jì)變得很復(fù)雜，這一需求將給目前的智能手機(jī)RFFE設(shè)計(jì)提出更大的挑戰(zhàn)。在這篇文章中，我們將分析5款智能手機(jī)的拆卸結(jié)果，比較它們的相似之處以及各自獨(dú)特的設(shè)計(jì)。
在新網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)5G頻譜對RFFE的設(shè)計(jì)具有重要意義。通過擴(kuò)大頻譜范圍，5G將提供更大的容量和更高的速度。然而，為了支持這些更寬的帶寬，必須相應(yīng)地重新設(shè)計(jì)RFFE以支持所使用的頻率。Sub-6GHz 5G頻率由于其類似于現(xiàn)有的LTE RFFE信號(hào)，所以挑戰(zhàn)性不大。
該5G頻段（FR1）通常被稱為“Sub-6GHz”。FR1信號(hào)傳輸特性與現(xiàn)有的高頻段LTE相同，只是載波帶寬要寬的多（100-200MHz, LTE中為5-20MHz）。
另一個(gè)更具挑戰(zhàn)性的光譜范圍（FR2）是毫米波（mmWave）5G。FR2頻譜由于其信號(hào)傳播受限、衰減高，在手機(jī)應(yīng)用中還沒有得到廣泛的使用。其最大的開放頻譜范圍在24GHz到90GHz之間。為了克服mmWave的傳統(tǒng)局限性，需要采用無線電技術(shù)中的特殊技術(shù)以擴(kuò)展FR2的可用覆蓋范圍。聚焦波束形成和波束跟蹤等射頻技術(shù)被部署在5G網(wǎng)絡(luò)的邊緣，為移動(dòng)用戶提供數(shù)百兆赫的帶寬。
拆解結(jié)果分析
今年2月，在巴塞羅那世界移動(dòng)通信大會(huì)（MWC）上眾多廠商發(fā)布5G智能手機(jī)，LG是其中之一。V50 ThinQ5G是一款sub-6GHz 5G智能手機(jī)，最初設(shè)計(jì)用于美國運(yùn)營商Sprint，后來被用于部署sub-6GHz的全球其他運(yùn)營商（通常在N77/78頻段 3.5GHz）。
LG采用高通第一代X50 5G設(shè)計(jì)，包括一個(gè)分立的5G收發(fā)器（SDR8154）和一對RFFE模塊。QPM5650傳輸模塊和QDM5650分集接收模塊，支持單頻段N77/78 sub-6GHz 5G網(wǎng)絡(luò)。我們將在隨后的拆卸結(jié)果中看到，第一代設(shè)計(jì)已被其他三家OEM用于相同的射頻配置。
除了RFFE，第一代5G智能手機(jī)另一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是找到足夠的PCB表面來安裝額外的5G組件。高通X50調(diào)制解調(diào)器位于PCB的頂部，與驍龍855 SoC相鄰，其余的RFFE組件安裝在PCB的底部。LG選擇將所有5G組件安裝在一個(gè)主PCB板上，而不是采用模塊化（即堆疊式PCB板)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)可以替換為LTE-only，也可以更換5G版本。因此，LG V50 ThinQ本質(zhì)上是一款根據(jù)高通架構(gòu)設(shè)計(jì)的專用5G智能手機(jī)。
表1——LG V50 5G物料清單中主要的RFFE 組件
Oppo Reno 5G是其旗艦產(chǎn)品Reno （LTE-only）的5G版本。為了適應(yīng)新的相機(jī)功能，Reno擁有一個(gè)更大的機(jī)架，從而能夠使用更大的全屏顯示器，以及更大的內(nèi)置電池。這種物理設(shè)計(jì)創(chuàng)造了額外的空間，能夠?qū)?G組件放入手機(jī)中。這一策略允許Oppo基于相同的設(shè)計(jì)銷售兩種不同版本的旗艦智能手機(jī)。當(dāng)然，通用平臺(tái)設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)和組件采購。在尋求降低供應(yīng)鏈復(fù)雜性的OEM廠中，這是一種流行的策略。
在Oppo Reno 5G中，模塊化頻射（RF）板用于根據(jù)不同的全球地區(qū)和市場交換射頻組件。這種方法允許Oppo減少在不必要的射頻組件上的過度投資。同樣，高通X50調(diào)制解調(diào)器、SDR8154收發(fā)機(jī)和一對RFFE模塊（QDM5650和QPM5650）被用來完成5G調(diào)制解調(diào)器到天線的方案設(shè)計(jì)。Oppo Reno 5G支持大多數(shù)早期歐洲5G網(wǎng)絡(luò)部署使用的單一公共頻率（N78）。
表2——Oppo Reno 5G物料清單中主要的RFFE組件
小米Mi Mix35G是另一個(gè)高通sub6-GHz RFFE設(shè)計(jì)的應(yīng)用者。正如之前討論的Oppo Reno一樣，Mi Mix3 5G被設(shè)計(jì)為高度可配置，以便服務(wù)于不同的全球市場。小米利用現(xiàn)有的Mi Mix 3設(shè)計(jì)平臺(tái)創(chuàng)建了5G版本。小米采用這種設(shè)計(jì)方法，不僅有助于更快獲得5G市場，而且有助于整體設(shè)備SKU管理。
為了符合OEM廠商精神，小米Mi Mix3 5G是這款手機(jī)的價(jià)格領(lǐng)導(dǎo)者，起價(jià)為600歐元（約680美元）。
小米采用完全模塊化的調(diào)制解調(diào)器到天線的5G設(shè)計(jì)（而Oppo采用模塊化的RFFE設(shè)計(jì)），這是讓5G功能迅速進(jìn)入市場的一個(gè)機(jī)智選擇。以上5G PCB組件包含完整的X50調(diào)制解調(diào)器、SDR8154收發(fā)機(jī)、QPM5650前端和QDM5650分集模塊。在Mi Mix3 5G板中也有未填充的芯片著陸平臺(tái)。這是出于對中國國內(nèi)擁有2種不同的sub-6GHz 5G頻率的市場的設(shè)計(jì)考慮。這里所取樣的模型是為歐洲市場設(shè)計(jì)的，歐洲市場主要使用N77/78波段。
表3——小米Mi Mix3 5G物料清單中主要的RFFE組件
OnePlus 7 Pro5G與LG V50 5G設(shè)計(jì)一樣，將高通所有的5G組件都安裝在一個(gè)通用的主電路板上。然而，與LG V50不同的是，OnePlus 7Pro并不是專門為5G智能手機(jī)平臺(tái)打造的。而是利用他們的OnePlus 7 Pro平臺(tái)來增加5G功能——采用與Oppo和小米相同的策略。通過重新使用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，OnePlus能夠讓大部分LTE-only設(shè)計(jì)保持獨(dú)立（降低成本）。然而，為了適應(yīng)5G組件，OnePlus選擇了一個(gè)新的PCB設(shè)計(jì)，而不是走Oppo和小米之前介紹的模塊化路線。
為了創(chuàng)造必要的空間容納前置攝像頭，OnePlus主電路板的形狀非常奇特。自拍攝像頭在需要時(shí)彈出，不需要時(shí)又會(huì)縮回手機(jī)里。對于OnePlus來說，在5G設(shè)計(jì)中唯一的妥協(xié)是在LTE-only版本和5G版本之間創(chuàng)建了一個(gè)完全不同的主PCB設(shè)計(jì)。雖然這一策略增加了制造的復(fù)雜性，但考慮到彈出式自拍攝像頭所需的空間，這樣能使手機(jī)的厚度盡可能降低。OnePlus 7 Pro是在英國EE網(wǎng)絡(luò)上獨(dú)家推出的5G智能手機(jī)，能夠在5G頻段N78上運(yùn)行。
表4——OnePlus 7Pro 5G物料清單中主要的RFFE組件
三星Galaxy S10+5G是市場上為數(shù)不多的mmWave 5G設(shè)備之一。與Oppo、小米或OnePlus不同，三星是在Galaxy S10系列旗艦手機(jī)的更大版本上開發(fā)的。因此，與其他中國OEM廠商相比，這款專為5G設(shè)計(jì)的智能手機(jī)平臺(tái)更類似于LG V50 5G。三星Galaxy S10+ 5G有兩種不同的版本。其中一個(gè)用于sub-6GHz 5G（國際市場），另一個(gè)用于美國Verizon獨(dú)家擁有的mmWave 5G網(wǎng)絡(luò)。我們將要討論的模型是mmWave版本。
對于mmWave版本，三星選擇使用高通X50調(diào)制解調(diào)器解決方案，而不是他們自己的Exynos平臺(tái)。與之前四款sub-6GHz 5G手機(jī)不同的是，這款Galaxy機(jī)型擁有三個(gè)位于手機(jī)背面的mmWave天線模塊（QTM052）。由于mmWave的高衰減特性，必須重新構(gòu)想RFFE的設(shè)計(jì)。高通提供的解決方案是使用高度集成的收發(fā)器到天線（transceiver-to-antenna）的模塊設(shè)計(jì)。由于mmWave可以通過簡單的動(dòng)作來阻擋，因此需要部署多個(gè)天線模塊，以便在正常使用時(shí)始終有一個(gè)暴露的mmWave天線模塊。
mmWave的使用可能是5G行業(yè)最難克服的技術(shù)挑戰(zhàn)。AT&T、T-Mobile和Verizon等美國運(yùn)營商決定率先推出mmWave 5G。mmWave 5G的好處是顯而易見的，但是這為RF的設(shè)計(jì)帶來了極其困難的工程問題，最終增加了總體設(shè)計(jì)的成本。
三星使用高通的mmWave解決方案，充分說明了高通modem-to-antenna方案的成熟度。像三星這樣有能力的大型OEM廠商將RFFE設(shè)計(jì)外包出去是不尋常的，但就mmWave而言，目前只有高通有一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)。在RFFE市場的現(xiàn)有參與者中，只有Skyworks擁有mmWave解決方案，但是還沒有成熟到可以商業(yè)化的程度。
下圖展示了三星Galaxy S10+ 5G設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。在主PCB中，有兩個(gè)未填充的著陸平臺(tái)，因?yàn)樵贕alaxy S10+ 5G后來的版本中，智能手機(jī)同時(shí)設(shè)計(jì)了mmWave和sub-6GHz RFFE。較大的板支持SDR8154 5G收發(fā)機(jī)，較小的板支持用于N41波段(QPM5580)的5G PAMiD。
三星的工程師為高通公司的三個(gè)QTM052 mmWave天線模塊創(chuàng)建了三個(gè)內(nèi)部“空腔”，將安裝在后蓋的正下方，以獲得最佳的射頻接收效果。
毫米波天線模塊需要高度集成，以減少射頻組件之間的距離（和信號(hào)損失）。該模塊包括一系列四相控陣天線，封裝有電源管理IC (PMIC)和天線棧下的收發(fā)器。在mmWave通信機(jī)制中，5G RFFE的信號(hào)預(yù)算至關(guān)重要。選擇高通的解決方案而不是自己的射頻解決方案，證明了高通在mmWave 5G技術(shù)方面的早期技術(shù)領(lǐng)先地位。擁有完整的調(diào)制解調(diào)器到天線解決方案，對于確保5G無線電優(yōu)化信號(hào)接收和低功耗也至關(guān)重要。
對冗余的mmWave天線模塊的需求將明顯增加mmWave 5G手機(jī)的BOM成本。未來，隨著mmWave 5G天線模塊供應(yīng)鏈規(guī)模的擴(kuò)大，天線模塊和其他5G射頻組件的價(jià)格將會(huì)下降。然而，毫無疑問，第一代5G RFFE將比現(xiàn)有的LTE RFFE解決方案成本更高。因此，在第一代的例子中，mmWave組件的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了多波段LTE RFFE。
表5——Samsung Galaxy S10+ 5G物料清單中主要的RFFE組件
第一代5G RF前端成本溢價(jià)
圖6——所有高通5G設(shè)計(jì)組件成本比較
上圖總結(jié)了5G RFFE添加到本文所講的5款第一代5G手機(jī)中的成本溢價(jià)。其中5G基帶的成本不包括BOM成本分析中。LTE和5G RFFE的成本比較僅限于RF收發(fā)器到天線的組件。
拆解數(shù)據(jù)顯示，Sub-6GHz的5G RFFE的成本溢價(jià)約為現(xiàn)有LTE RFFE成本的一半。而毫米波方案（以三星設(shè)備為例）的成本是現(xiàn)有LTE RFFE的兩倍，令人驚訝。由此可見，早期5G設(shè)備的成本都偏高。正如十年前的LTE設(shè)計(jì)剛出來那會(huì)一樣，后續(xù)的5G手機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該會(huì)降低5G RFFE的成本。在成熟的5G設(shè)計(jì)中，5G RFFE有望被集成到5G/4G/3G RFFE的設(shè)計(jì)中。這個(gè)成本溢價(jià)圖強(qiáng)調(diào)了5G的RFFE的重要性，從組件成本來看，5G的RFFE和現(xiàn)代芯片組一樣重要。
5G中調(diào)制解調(diào)器到天線(Modem-to-Antenna)設(shè)計(jì)的重要性
正如上面所說，5G時(shí)代為核心電子供應(yīng)商帶來了新的挑戰(zhàn)。具體地說，調(diào)制解調(diào)器的性能不再是衡量性能的標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)調(diào)制解調(diào)器到天線的設(shè)計(jì)被認(rèn)為是5G組件產(chǎn)品的新標(biāo)準(zhǔn)。高通顯然抓住了這一新設(shè)計(jì)范式的先發(fā)優(yōu)勢，即提供一個(gè)完整的5G RFFE產(chǎn)品，但現(xiàn)有的RFFE供應(yīng)商并沒有坐視市場的一家獨(dú)大。隨著5G智能手機(jī)的成熟，RFFE組件市場有望升溫，現(xiàn)有的零部件制造商將做出反應(yīng)，提供更完整的RFFE解決方案。對智能手機(jī)制造業(yè)而言，歸根結(jié)底是成本績效的平衡行為。
上面所拆解的5G智能手機(jī)有個(gè)共同特點(diǎn)——都使用了Qualcomm X50平臺(tái)的第一代設(shè)計(jì)。更重要的是，每個(gè)示例都使用完整的高通調(diào)制解調(diào)器到天線解決方案，無論是Sub-6GHz還是毫米波RFFE。高通在第一輪5G手機(jī)中獲得更高的智能手機(jī)組件份額這一事實(shí)告訴我們以下道理：
1，Pre-baked 5G方案能夠幫助OEM廠更快進(jìn)入市場；
2，完整的調(diào)制解調(diào)器到天線解決方案可節(jié)省開發(fā)成本并降低早期5G設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)（就像在4G LTE中一樣）；
3，從調(diào)制解調(diào)器到天線的單個(gè)組件供應(yīng)商具有其他好處，例如優(yōu)化RF的功耗；
4，OEM廠選擇的具有理想設(shè)計(jì)的RFFE將越來越復(fù)雜；
5，前期5G組件市場競爭較弱，讓高通完整的調(diào)制解調(diào)器到天線解決方案獲得了早期的勝利。
期待第二代5G RFFE設(shè)計(jì)
預(yù)計(jì)2020年將迎來新設(shè)計(jì)周期，第二代5G解決方案將可能在4G LTE和5G NR之間實(shí)現(xiàn)更緊密的組件集成。
此外，我們將會(huì)看到Sub-6GHz和毫米波在同一個(gè)RFFE上的5G設(shè)備。這樣的設(shè)計(jì)這些設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)更好的芯片級(jí)集成，4G和5G RFFE的融合以及降低的總體成本。第二代5G設(shè)計(jì)定義為具有多模5G / 4G / 3G / 2G功能的調(diào)制解調(diào)器（單芯片調(diào)制解調(diào)器）功能，以及融合LTE和5G以及融合RFFE設(shè)計(jì)的融合單RF收發(fā)器。
基于高通X55第二代5G平臺(tái)的多個(gè)5G設(shè)計(jì)即將發(fā)布，允許OEM在調(diào)制解調(diào)器和RFFE的組件集成和成本優(yōu)化方面取得更大進(jìn)步。
目前已宣布多模5G / 4G / 3G / 2G設(shè)計(jì)的其他商用調(diào)制解調(diào)器供應(yīng)商包括聯(lián)發(fā)科和紫光展銳。但是，迄今為止，這些仍然主要是僅調(diào)制解調(diào)器的預(yù)生產(chǎn)解決方案，沒有配套的5G RFFE設(shè)計(jì)。像華為海思和三星這樣的專屬供應(yīng)商可能會(huì)提供更新一代的5G設(shè)計(jì)，但同樣不是完整的調(diào)制解調(diào)器到天線解決方案。
毫米波5G的RF設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)仍將出現(xiàn)在第二代5G手機(jī)中。毫米波衰減一直是移動(dòng)RFFE設(shè)計(jì)的問題。三大全球OEM廠（三星，華為和蘋果（收購英特爾））都擁有一些毫米波功能，在市場推廣和進(jìn)度上普遍落后于高通。關(guān)于高通毫米波技術(shù)的發(fā)展，其正在準(zhǔn)備更小的天線模塊設(shè)計(jì)，通過更容易地放置毫米波天線模塊，來更好地幫助適應(yīng)智能手機(jī)的工業(yè)設(shè)計(jì)。
隨著行業(yè)在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)5G轉(zhuǎn)型，預(yù)計(jì)RFFE領(lǐng)域?qū)l(fā)生重大變化。大體量OEM廠可能會(huì)試圖擺脫單一供應(yīng)商的調(diào)制解調(diào)器到天線解決方案，以保持多源供貨。不過完整解決方案的好處很難被忽視，特別是對于在5G市場野心勃勃的廠商。
結(jié)論
每一次新技術(shù)的轉(zhuǎn)變都藏著市場顛覆的機(jī)會(huì)。雖然RFFE市場擁有幾個(gè)不錯(cuò)的RFFE利基組件玩家（博通的BAW濾波器，Qorvo的PAMiDs、村田的濾波器/天線），但是沒有玩家提供一個(gè)完整的解決方案——從調(diào)制解調(diào)器到天線到RFFE的方案。
高通進(jìn)入RFFE市場顯然是看到這一新機(jī)遇。成功背后取決于許多因素，其中最重要的是5G采用、RFFE解決方案的成本以及現(xiàn)有參與者的競爭力。然而，在第一輪的5G游戲中，高通似乎憑借其調(diào)制解調(diào)器到天線（modem-to-antenna）的產(chǎn)品贏得了勝利。
本文由TechSugar編輯部翻譯自IHS Markit。
備注行業(yè)崗位地點(diǎn)：
