Wi-Fi 6/6E升級(jí)之旅，F(xiàn)EM前端模塊這個(gè)“旅伴”，你選好了嗎？

2019年的9月，Wi-Fi聯(lián)盟宣布正式啟動(dòng)Wi-Fi 6認(rèn)證計(jì)劃授權(quán)，此舉意味著我們正式步入了Wi-Fi 6時(shí)代。根據(jù)ABI Research的預(yù)測(cè)，全球Wi-Fi 6芯片組的出貨量將從2020年的約4億增長(zhǎng)到2025年的約33億?？梢姡诮酉聛?lái)的幾年中，Wi-Fi 6技術(shù)將處于快速市場(chǎng)上升期，并將加速滲透到我們的生活中。

Wi-Fi作為最成功的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)之一，經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，已經(jīng)打下了自己的一片“江山”。一路走來(lái)，不斷提速無(wú)疑是Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)開疆?dāng)U土的一大法寶。

數(shù)據(jù)顯示，Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)）在160MHz信道寬度下，單流最高速率為1,201Mbps，理論上最大數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)9.6Gbps。這一數(shù)值是上一代Wi-Fi 5標(biāo)準(zhǔn)的1.4倍，與初代Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)2Mbps的傳輸速率相比更是提升了數(shù)千倍！正是由于在數(shù)據(jù)傳輸速率上的優(yōu)勢(shì)，Wi-Fi已經(jīng)成為無(wú)線局域網(wǎng)高速互連的不二之選。

預(yù)計(jì)到2025年，全球Wi-Fi設(shè)備的年出貨量將增長(zhǎng)到45億臺(tái)，全球Wi-Fi裝機(jī)總量也將達(dá)到155億臺(tái)以上。屆時(shí)，Wi-Fi 6將是市場(chǎng)中絕對(duì)的主角。

圖1：Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

（圖源：Qorvo）

采用前沿技術(shù)，全面提升性能

不過(guò)，如果我們仔細(xì)審視Wi-Fi 6，會(huì)發(fā)現(xiàn)Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的這次迭代升級(jí)，并非一次簡(jiǎn)單的以提高峰值吞吐能力為目的的提速之旅，而是一次性能上的全面突破，在穩(wěn)定性、可靠性、吞吐量、容量、效率和低延遲等方面實(shí)現(xiàn)了全方位的提升。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，Wi-Fi用上了各種前沿?zé)o線技術(shù)。具體來(lái)講，Wi-Fi 6基于這些前沿技術(shù)而獲得的關(guān)鍵特性優(yōu)勢(shì)包括：

#1 支持上行MIMO：盡管Wi-Fi 5就已經(jīng)采用了MU-MIMO（多用戶MIMO）技術(shù)，但是僅在下行模式中才支持，而Wi-Fi 6則實(shí)現(xiàn)了對(duì)上行MU-MIMO的支持，能夠處理上下行的8個(gè)數(shù)據(jù)流，使得多個(gè)用戶可同時(shí)上傳和下載數(shù)據(jù)，用戶體驗(yàn)大為提升。

#2 更寬的調(diào)制：在調(diào)制技術(shù)上，Wi-Fi 6采用了1024 QAM編碼10-bit調(diào)制方案，與Wi-Fi 5中的8-bit 256 QAM調(diào)制相比，將每個(gè)符號(hào)的傳輸容量提高了25%，顯著提升了每個(gè)有效負(fù)載中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，可實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。

#3 更高容量和效率：Wi-Fi 6上行和下行鏈路中采用了正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)，而不是Wi-Fi 5中的正交頻分復(fù)用（OFDM），這樣就能夠用FDD取代TDD，還能實(shí)現(xiàn)特定信道內(nèi)的資源單元分配，允許多達(dá)30個(gè)用戶同時(shí)共享一個(gè)信道來(lái)減少延遲、提高容量和效率。同時(shí)，Wi-Fi 6子載波間隔減小至78.125kHz，僅為Wi-Fi 5間隔的25%，且符號(hào)比Wi-Fi 5長(zhǎng)4倍，這些特性綜合在一起使得Wi-Fi 6能夠同時(shí)上傳或下載多個(gè)數(shù)據(jù)包，工作更加高效。

#4 更低的功耗：由于具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，Wi-Fi與其他無(wú)線技術(shù)相比功耗也較高，這也限制了Wi-Fi的應(yīng)用范圍。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Wi-Fi 6新增了目標(biāo)喚醒時(shí)間（Target Wake Time，TWT）功能，可根據(jù)實(shí)際需要決定喚醒時(shí)間，通過(guò)更靈活的電源管理調(diào)度令功耗最小化。

#5 更大的覆蓋范圍：利用波束成形技術(shù)，Wi-Fi 6還可使接入點(diǎn)（AP）將信號(hào)定向傳輸?shù)娇蛻舳?，而不是向所有方向漫射。此舉有利于擴(kuò)大通信覆蓋范圍和提高吞吐量，與MU-MIMO配合后還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)上多樣化的設(shè)備連接進(jìn)行優(yōu)化。

擴(kuò)展的頻譜，擴(kuò)展的應(yīng)用空間

有了上面這些優(yōu)勢(shì)特性的加持，可以預(yù)見，Wi-Fi 6的應(yīng)用空間也會(huì)大為擴(kuò)展，催生出更多的新應(yīng)用場(chǎng)景。不過(guò)，Wi-Fi 6的商用之旅想要一路暢通，還有一個(gè)很關(guān)鍵的“坎兒”需要邁過(guò)去。

隨著人們對(duì)Wi-Fi無(wú)線互連需求的不斷增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)擁塞似乎不可避免，這也會(huì)導(dǎo)致Wi-Fi通信的性能受限和QoS的降低。隨著Wi-Fi應(yīng)用版圖的擴(kuò)張、用戶數(shù)據(jù)量的增加，這一挑戰(zhàn)將日益嚴(yán)峻。

有效應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，擴(kuò)大頻譜是根本性的解決方案。根據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟的報(bào)告，到2025年，想要滿足峰值Wi-Fi使用需求，至少需要500MHz至1GHz的額外頻譜，而這個(gè)數(shù)據(jù)的上限值可能高達(dá)1.3GHz到1.8GHz。

2020年4月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）批準(zhǔn)將6GHz頻段中的1.2GHz非授權(quán)頻譜用于Wi-Fi，這在Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展史上可以說(shuō)是一個(gè)里程碑，從此Wi-Fi終于可以跳出2.4GHz和5GHz頻譜范圍的限制，擁有一片“新天地”。

6GHz頻段的Wi-Fi 6被稱為Wi-Fi 6E，這意味著人們可以將那些更高速、高性能的任務(wù)遷移到這一擴(kuò)展頻譜中，不因其他“較慢”設(shè)備的影響而阻塞網(wǎng)絡(luò)。這就讓這一頻段更為“干凈”，也更適合那些大容量應(yīng)用的密集部署。

同時(shí)，Wi-Fi 6E還可以將延遲拉低到2ms，這樣就可以更好地支持VR/AR耳機(jī)、4K/8K流媒體、低延遲游戲、高速無(wú)線NAS等應(yīng)用，甚至有望向工業(yè)等時(shí)間敏感型應(yīng)用滲透，以取代成本更高且靈活性差的有線以太網(wǎng)解決方案。

圖2：Wi-Fi 6/6E和Wi-Fi 7的頻段

（圖源：Qorvo）

可以說(shuō)，采用新技術(shù)帶來(lái)的全面性能提升，以及頻譜擴(kuò)展帶來(lái)的應(yīng)用空間的擴(kuò)展，使得Wi-Fi這個(gè)“老標(biāo)準(zhǔn)”煥然一新，充滿了活力，這給人一種感覺——你想象力所及之處，Wi-Fi 6的觸角似乎都可以觸達(dá)。

創(chuàng)新FEM解決方案助力Wi-Fi落地

當(dāng)然，想讓W(xué)i-Fi 6/6E這一新標(biāo)準(zhǔn)順利落地，想讓現(xiàn)實(shí)與理想同樣“豐滿”，還需要大量的鋪墊工作，特別是在技術(shù)上，與原先Wi-Fi配套的各類解決方案，都需要同步來(lái)一次升級(jí)。

比如說(shuō)在Wi-Fi RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)中很關(guān)鍵的前端模塊（FEM），要想跟上Wi-Fi 6快速商用的步伐，就需要在以下方面進(jìn)行優(yōu)化：

●   小型化：FEM需要通過(guò)提高自身集成度，在緊湊的單一封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多功能，進(jìn)而簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)。

●   低成本：由于Wi-Fi 6/6E支持更多的頻段，傳統(tǒng)的窄帶方案需要采用多個(gè)FEM，并通過(guò)開關(guān)元件進(jìn)行切換，這勢(shì)必會(huì)增加成本。因此找到一種能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本的解決方案，便成為剛需。

●   低功耗：在確保吞吐量和性能的同時(shí)，要降低系統(tǒng)整體的能耗，也要求進(jìn)一步從FEM身上挖潛。

Qorvo推出的寬帶低功耗QPF4730 Wi-Fi?6E低功耗前端模塊，就是按照這樣的標(biāo)準(zhǔn)打造的全新解決方案。

圖3：QPF4730 Wi-Fi?6E低功耗前端模塊

（圖源：Qorvo）

QPF4730在單一封裝（3.0mm x 3.0mm）中，集成了5GHz至7GHz功率放大器（PA）、單刀雙擲開關(guān)（SP2T），以及可旁路低噪聲放大器（LNA），自身外形緊湊。高集成度又帶來(lái)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化，因此能夠盡可能減少PCB的占板面積。

圖4：QPF4730的功能框圖

（圖源：Qorvo）

同時(shí)，與上文提到的傳統(tǒng)窄帶FEM方案不同，QPF4730的寬帶特性使其可以在UNII5-8（5.1GHz至7.1GHz）的所有通道上運(yùn)行，且無(wú)需任何邏輯切換，可以顯著減少設(shè)計(jì)向Wi-Fi 6E升級(jí)時(shí)所需的PCB空間，也有助于提高Wi-Fi 6E整體系統(tǒng)的性能、容量和靈活性。

在低功耗性能方面，QPF4730采用了3.3V電源電壓的功率放大器，可以節(jié)省功耗，同時(shí)保持高線性輸出功率和吞吐量。

QPF4730 FEM還包括用于二次和三次諧波的芯級(jí)濾波裝置，以及用于DBDC操作的2.4GHz抑制。它還提供寬帶對(duì)數(shù)電壓檢測(cè)器，用于應(yīng)用反饋?？梢哉f(shuō)，為了滿足Wi-Fi 6/6E的全面升級(jí)，QPF4730也進(jìn)行了全面的優(yōu)化。

QPF4730 Wi-Fi?6E低功耗前端模塊主要特性

●   頻率范圍：5.150GHz至7.125GHz

●   POUT= +12.5dBm MCS11 HE160 -43dB動(dòng)態(tài)EVM

●   POUT= +15dBm MCS11 HE80 -43dB動(dòng)態(tài)EVM

●   POUT= +17dBm MCS9 VHT80/160 -43dB動(dòng)態(tài)EVM

●   POUT= +21.5dBm MCS0 VHT20頻譜模板適應(yīng)性

●   優(yōu)化用于+3.3V工作電壓

●   Tx增益：30dB

●   1.9dB噪聲系數(shù)

●   Rx增益：14.5dB

●   旁路損耗：8.5dB

●   Rx路徑上具有254B 2.4GHz抑制

●   集成直流對(duì)數(shù)功率檢測(cè)器

●   3.0mm x 3.0mm 16焊盤層壓型封裝

●   無(wú)鹵、無(wú)鉛、符合RoHS指令

本文小結(jié)

毋庸置疑，在未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)的世界中，Wi-Fi作為一個(gè)主流的無(wú)線通信技術(shù)將占據(jù)著主流的地位。想要在這個(gè)領(lǐng)域布局和深耕，當(dāng)下把握住Wi-Fi 6/6E技術(shù)升級(jí)和應(yīng)用擴(kuò)展的風(fēng)口至關(guān)重要。在這個(gè)過(guò)程中，RF解決方案更是重中之重。

Qorvo推出的QPF4730 Wi-Fi?6E低功耗前端模塊提高了Wi-Fi 6/6E架構(gòu)的效率，能夠有力地支持QoS、傳輸距離和吞吐量的提升，盡可能提高Wi-Fi 6/6E應(yīng)用的用戶容量，并充分利用了全部可用頻譜。同時(shí)，它還在設(shè)計(jì)小型化、成本控制方面為客戶提供更多的價(jià)值?？梢源_定，在我們向Wi-Fi 6/6E邁進(jìn)的過(guò)程中，QPF4730將是一個(gè)不可多得的好伙伴。

來(lái)源：貿(mào)澤電子