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拆解新款5G手机:RF前端和5G毫米波给手机厂商造成巨大压力

时间:2020-10-30 作者:David McQueen, ABI Research 阅读:
随着智能手机市场继续向5G快速过渡,射频(RF)系统的设计和选择适当的射频前端(RFFE)组 件将成为原始设备制造商(OEM)实现产品差异化的关键一环。本报告目的在于为日趋复杂的智能手机射频设计提供进一步的证据,并阐释为何跨多个空中接口的系统设计是提高智能手机整体性能并帮助原始设备制造商加速创新过程。
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随着智能手机市场继续向5G快速过渡,射频(RF)系统的设计和选择适当的射频前端(RFFE)组 件将成为原始设备制造商(OEM)实现产品差异化的关键一环。本报告目的在于为日趋复杂的智能手机射频设计提供进一步的证据,并阐释为何跨多个空中接口的系统设计是提高智能手机整体性能并帮助原始设备制造商加速创新过程。

虽然领先的原始设备制造商们目前正在积极采用调制解调器-射频系统设计来加强其5G整体实现,但5G与3G/4G的全面集成尚待时日。本报告采用三星5G旗舰智能手机Galaxy Note 20 5G 和Galaxy Z Fold 2 5G,来演示使用高通RFFE系统设计如何实现这种方法,其中涵盖了 Sub6GHz和毫米波(mmWave)两种5G选项,以及4G LTE频段。

在这些拆机分析中,尤其值得关注的是毫米波模块的使用,有迹象表明,在北美以外的市场,5G毫米波正在迅速普及化。因此, 此设计方案能让智能手机实现可折叠手机等新颖复杂的外形设计之余,也同时支持5G毫米波接入,登上5G快车。

概述:快速增长的5G市场为智能手机 原始设备制造商带来多重复杂挑战

5G智能手机市场目前在几乎每个指标上都正在超越包括LTE智能手机在内的前几代产品,例如,移动设备数量、用户以及发布时的可用网络等。然而,5G同时也带来大量的技术挑战、特征和新颖的功能,还需要采用支持新的无线电通信频段和组合频段的新无线电元件,以上几点可能会带来移动设备设计上的巨大转变。

这种复杂性并非仅限于高端设备,因为问世的5G智能手机的型号将变得更加多样化,以不同的价格点迅速推向 市场,推动了5G体验的普及化。许多领先的原始设备制造商预计将进一步深入低端5G智能手机市场,因此,有赖于低端5G芯片组平台的持续引入,中端智能手机将成为2021年及以后5G智能手机加速普及的主要驱动力。

据 ABI Research称,尽管受到中美贸易战和全球新冠肺炎疫情的影响,但2020年全球5G智能手机的出货量将增加 1200%以上,达1.7-2.0亿台,占智能手机总销售额的15%以上。随着高中低端各种价位的5G智能手机在全球推出,5G智能手机市场将会快速增长。

解决RFFE复杂性给设备带来的设计负担对领先的原始设备制造商而言正变得至关重要。尽管在Sub-6 GHz和毫 米波中5G是一个巨大机遇,然而,他们需要智能地管理自己的智能手机设计,以帮助补充所有价位机型的库存 量,这将主要体现在下列多个不同的方面:

  • 处理大量5G频段和配置所带来的数量日益增加的RFFE组件,以及5G功能所需的新特性。
  • 确保与3G/4G RFFE组件集成,提供优化配置并为如DSS、4G-5G CA、全球5G/4G频段支持和全球多用 户识别模块(SIM)等新功能提供更好的支持。 
  • 解决因毫米波生态系统不断增长所带来的额外复杂性。

越来越多的证据表明,在智能手机市场中,原始设备制造商正越来越多地采用从调制解调器到 天线的5G集成系统设计。目前为止,市场上很少有组件供应商考虑过这种战略方法,因此,高通占据了先行者 的市场优势,而且这一方法受到了许多原始设备制造商的欢迎,无论其支持sub-6 GHz 5G、毫米波5G,还是两者都支持。在此值得一提的是,高通在无线电通信系统设计方面的领导地位并非凭空而来,而是该公司多年来制定的战略的结果。

由于整个RFFE市场,不仅仅是对于5G而言,正成为组件行业收入增长的主要推动力之一,因此它将成为一片沃 土。随着领先供应商们争相抢占市场份额,2021年供应商格局将发生快速变化。

除了这一复杂性外,行业正转向使用5G毫米波。这项技术曾一度被嘲笑为太过具有挑战性而无法在移动设备上 进行实际应用,主要归因于其覆盖范围有限,且实现成本过于高昂。然而,在过去的18个月里,这些技术障碍 已被成功克服,5G毫米波现已成功用于智能手机,实现量产。值得注意的是,对毫米波的支持显著提升,整个 苹果iPhone 12系列的所有库存产品均支持毫米波。组件供应商已通过一种系统方法成功解决了毫米波射频设 计的许多复杂性问题并将继续演变,在缩小外形尺寸的同时提高性能、改善时延,提升可靠性和效率。果不其 然,引领行业迈向毫米波的主要推动力来自毫米波的主要倡导者——高通。高通推出了一种全集成毫米波射频 模块设计,该设计采用多天线模块配置(通常是三天线模块),以减轻信号遮挡的影响。

毫米波模块快速小型化和不断迭代增强也帮助其实现紧凑的智能手机工业设计。因此,高通已实现其第三代毫 米波模块(QTM535)的商业化,该模块已提前几个月投入使用,并且本报告所提到的三星智能手机中正是使用了 这一模块。相比上一代产品QTM525,新模块QTM535尺寸收窄16.7%,所占用空间减少13.8%,体积缩小了10%。 因为QTM535只有3.5毫米(mm)宽,有助于在可折叠智能手机等超薄设备上支援5G毫米波。

自问世后,这些毫米波模块起初主要局限于美国市场,随后,移动毫米波生态系统的增长势头不断增强,许多 地区开始部署5G毫米波,以日本、俄罗斯、韩国和澳大利亚等国的运营商为首,在北美、欧洲和亚洲不断扩张 5G毫米波的覆盖。由于毫米波模块实现了与5G新空口(NR) sub-6 GHz的密切结合以及与LTE的双连通性,因此 开始在兑现其初期承诺方面获得更多推动力,不仅能够提供新商业机会并增强移动体验,同时还支持波束赋形 和波束追踪等先进移动功能。

拆机结果:评估高通在整个射频前端(RFFE) 市场的领先程度

通过对两款三星5G智能手机Galaxy Note 20 5G和 Galaxy Z Fold 2 5G的物理分析,正如System Plus Consulting拆机专家的报告所示,可以找到关于组成不同RFFE的实际组件的详细信息。这样可以了解每个机型如何使用高通RFFE组件的程度来解决了以下关键问题:

  • 在调制解调器和射频方面,从4G到5G的设计优势不断增加,推动原始设备制造商采用超越5G市场的集成调制解调器到射频前端解决方案
  • 4G和5G设备中高通RFFE组件的数量显著增加 
  • 业界在智能手机中添加毫米波的意愿增强,并且证明毫米波适用于可折叠设备

选择进行拆机的两款三星手机均由美国运营商提供。虽然三星手机都采用自己的芯片组, 但两款手机都搭载了高通骁龙芯片组。两款拆机设备还支援毫米波,值得注意的是,与其上一代产 品相比,首次使用高通第三代毫米波模块的手机设计更轻薄,能够集成到更时尚、设计更复杂的 智能手机中,如可折叠智能手机。

三星GALAXY NOTE 20 5G UW

  • 拆机中所使用的美国Verizon版三星Galaxy Note 20 5G UW彰显了高通在射频方面的卓越表现,涵盖 从调制解调器到天线的大量组件,包括几个功率放大器(PA)、包络追踪器(ET)和分集模块。 
  • 这款手机搭载高通5G 100MHz包络追踪解决方案(QET6100和两个QET5100模块)以及一组集成5G/4G PA和分集模块。 
  • 值得注意的是,这款手机采用了高通的低频段PAMID——QPM5625,这是高通低频段PA模块首次用于 三星高端设备中的案例之一。 
  • 由于5G将成为三星在美国的一大推动力,Verizon毫米波版将包含两个高通最新的QTM535模块。各种 库存量也显示出毫米波并非仅仅局限于北美机型,高通还为日本市场供应此模块。

图1:三星Galaxy Note 20 5G UW主板 来源:Systems Plus Consulting,ABI Research,2020年9月

三星GALAXY Z FOLD 2 5G 

  • 拆机中所使用的美国版三星Galaxy Note 20 5G UW彰显了高通在射频方面的卓越表现,涵盖从调制 解调器到天线的大量组件,包括几个功率放大器(PA)、包络追踪器(ET)和分集模块。 
  • 这款手机搭载高通5G 100MHz包络追踪解决方案(QET6100和两个QET5100模块)以及一组集成5G/4G PA和分集模块。 
  • 由于5G将成为三星在美国的一大推动力,Verizon毫米波版将包含多达三个高通QTM535模块,这是首 次用于可折叠设备。 
  • 该设备还采用了高通Fast Connect 6900 Wi-Fi 6解决方案。这是首款使用新型Wi-Fi 6芯片的设 备,高通可能在这个过程中取代博通,并可能成为该公司在该领域的转机。

图2:三星Galaxy Z Fold 2 5G主板 来源:Systems Plus Consulting,ABI Research,2020年9月

结论:原始设备制造商将面临巨大压力,难以证明将从传统网络技术中分离出来的合理性,并使采购合理化

本白皮书继续深入探讨一个重要主题,也就是智能手机设计和解决原始设备制造商所面临的复杂性问 题。若要解决这个挑战,需要将包括毫米波在内的整个调制解调器到天线系统纳入考虑。有趣的是,这些拆解表明一种新的趋势,这一方法已得到扩展,已包含现在涵盖的优化设计。期待实现采购合理化的原始设备制造商无法忽视这个程度的集成。此外,这确保原始设备制造商的设备可以解决以下问题:

  • 整合所有网络技术,而不影响系统设计效率和设备外形。
  • 消除所有技术中组件采购所涉及的复杂性,简化涉及众多供应商的复杂射频组件采购。
  • 加速智能手机开发,缩短产品上市周期,帮助原始设备制造商节省时间和资金,能够及时将多模式设备推向市场。
  • 在LTE/4G和5G组件间提供紧密合作,从而使新功能有效地发挥作用,特别是5G/4G EN-DC、CA、DSS 和全球 multi-SIM。

若将未来机型中从调制解调器到天线的组件供应与和集成能力相结合,将显著影响原始设备制造商选择 技术供应商时的决策。的确,如最新的三星智能手机拆机所证实,以及调制解调器和应用处理器取得的市场成功已经开始对相关旧有组件的未来使用产生深远的影响。这种集成将对未来设备产生重大影响,因为 没有强大业务覆盖的供应商很容易失去他们利用所形成的吸引力。

这并非是昙花一现,原始设备制造商使用单一和供应商的这一趋势,特别是随着创新功能的引入,将成为 一种常态,而作为先行者,高通目前是提供这种解决方案的出色候选人。三星系列旗舰手机拆机显示三星设备只使用了少量来自其他供应商的元件,有力证实了在射频系统设计中原始设备制造商们日趋选择单一供应商。设备的迅速迭代已促使高通射频业务显著增加,并且看起来这一趋势并未放缓,因为更多一级原始设备制造商的旗舰产品预计将纷纷效仿三星的决定。

在过去的几年中,高通集成调制解调器射频系统方法已经建立了一套增强型组件和解决方案,这些组件和解决方案经过了一系列重大更新和改进,且远远领先于所有竞争对手的产品,这些组件和解决方案现已扩展到中端设备,将有助于促进在全球的广泛普及。此外,随着和等新功能集成在智能手机中 变得更加普遍,由于原始设备制造商们选择使用单一供应商,高通具备绝佳的优势,有望在领域取代其 竞争对手。

高通处于领先地位,取得先行者的优势并非偶然,七年前高通在创建和收购的过程中便开始了这一旅程。其他公司发现在不影响上市时间的情况下,很难在性能、定价和功耗方面保持竞争力。试图努力追赶的竞争对手仍在使用参考设计,同时其产品组合中缺乏关键射频组件,并不太可能在短期内参与任何调制解调器射频设计。

严峻的现实显明,随着原始设备制造商将委托给第三方,若他们等待其他解决方案提供接近高通的集成水平,他们可能会面临到年的滞后,延迟上市时间,从而失去市场份额。目前所有竞争对手仍落后于高通,而且这一情况可能会持续数年,因为这需要通过一系列急需的合理化和整合对射频专有技术进行重大投资。该公司预计在财年成为全球营收最高的供应商之一,其目标是到年占据市场以上的份额。

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