ในโลกยุคใหม่ที่เชื่อมต่อถึงกัน สมาร์ทโฟน เราเตอร์ Wi-Fi และอุปกรณ์ IoT ทั้งหมดล้วนมีพื้นฐานอยู่บนส่วนประกอบสำคัญเพียงชิ้นเดียว นั่นคือ RF front-end module (FEM) คุณอาจจะมองไม่เห็นมันในฐานะส่วนประกอบ แต่จริงๆ แล้วมันคือส่วนประกอบ และหากไม่มีมัน การสื่อสารไร้สายก็จะไม่เกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม ทำไม RF FEM ถึงมีความสำคัญ และเทคโนโลยีนี้มีลักษณะอย่างไร

RF Front-End Module คืออะไร?

โมดูล RF front-end คือส่วนประกอบของระบบไร้สายที่เชื่อมต่อระหว่างเสาอากาศและตัวประมวลผลเบสแบนด์ดิจิทัล คุณสามารถมองว่าโมดูลนี้เป็นตัวควบคุมสัญญาณไร้สายทั้งหมด ช่วยให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์สามารถส่งและรับสัญญาณไร้สายได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่มีสัญญาณรบกวนใดๆ

โดยทั่วไป RF FEM จะรวมองค์ประกอบสำคัญบางประการไว้ในแพ็คเกจเดียว:

เครื่องขยายเสียง (PA) – เพิ่มสัญญาณขาออกเพื่อให้สามารถส่งได้ในระยะทางที่ไกลขึ้น

เครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) – เพิ่มความแรงของสัญญาณอ่อนที่เข้ามาในระบบแต่จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนต่ำ

ตัวกรองและตัวดูเพล็กซ์เซอร์ – ทำความสะอาดสัญญาณโดยแยกสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการและแยกเส้นทางการส่ง/รับ

สวิตช์ – ควบคุมการไหลของสัญญาณระหว่างกิจกรรมการส่งและรับ

ในสมาร์ทโฟนปัจจุบัน RF FEM รองรับแบนด์ความถี่และมาตรฐานไร้สายมากมาย (LTE, 5G NR, Wi-Fi, Bluetooth , GPS) ในหน่วยขนาดกะทัดรัดเดียว

วัตถุประสงค์ของโมดูล RF Front-End

แก่นแท้ของ FEM นั้นค่อนข้างตรงไปตรงมา นั่นคือการทำให้การสื่อสารไร้สายทรงพลัง สะอาด และมีประสิทธิภาพ

สิ่งที่ทำจริงในทางปฏิบัติมีดังต่อไปนี้:

เพิ่มประสิทธิภาพคุณภาพสัญญาณ: เพิ่มประสิทธิภาพค่าสัญญาณของสัญญาณอ่อนและขจัดสัญญาณรบกวน

เพิ่มการประหยัดพลังงาน: ทำให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ส่งสัญญาณโดยสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด

ช่วยให้ใช้งานหลายแบนด์ได้: ช่วยให้สามารถใช้เครื่องเดียวได้ผ่านแบนด์เซลลูล่าร์และเทคโนโลยีไร้สายที่แตกต่างกัน

ลดขนาดและความซับซ้อนให้เหลือน้อยที่สุด: FEM ไม่ใช้ส่วนประกอบแยกส่วนจำนวนมาก แต่รวมไว้ในส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่า

โทรศัพท์ของคุณจะค้างบ่อย Wi-Fi ของคุณจะช้า และสมาร์ทวอทช์ของคุณจะไม่สามารถจัดเรียงได้เสมอหากไม่มี FEM ที่พัฒนาอย่างเหมาะสม

โมดูล RF Front-End ทำงานอย่างไร?

เมื่อคุณกดส่งข้อความหรือวิดีโอคอล นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นเบื้องหลังม่าน FEM:

เส้นทางการส่ง:

โปรเซสเซอร์ของอุปกรณ์ของคุณสร้างสัญญาณ RF ที่ปรับเปลี่ยน

เครื่องขยายสัญญาณจะเพิ่มความแรงให้ถึงระดับที่ต้องการ

สัญญาณจะถูกกรองและ ฮาร์โมนิก จะถูกลบออก

จะถูกถ่ายโอนไปยังเสาอากาศโดยสวิตช์

เส้นทางการรับ:

เสาอากาศรับสัญญาณ (ซึ่งมักจะอยู่ในระดับต่ำมาก) ที่เข้ามา

เครื่องขยายเสียงที่มีสัญญาณรบกวนต่ำจะเพิ่มขนาดโดยไม่สูญเสียคุณภาพ

ดูเพล็กซ์เซอร์และตัวกรองจะแยกสัญญาณและสัญญาณรบกวนที่ต้องการ

สัญญาณที่สะอาดจะถูกส่งไปยังเบสแบนด์เพื่อประมวลผลเพิ่มเติม

โดยสรุป FEM ช่วยให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ไร้สายของคุณไม่เพียงแต่ส่งเสียงดังพอที่จะได้ยินเท่านั้น แต่ยังฟังสัญญาณที่อ่อนได้อย่างตั้งใจอีกด้วย

ความท้าทายในโมดูล RF front-end 

การแยกสัญญาณที่อยู่ใกล้กันมากในสเปกตรัมเป็นหนึ่งในปัญหาทางเทคนิคที่ใหญ่ที่สุดในการออกแบบ RF front-end สมาร์ทโฟนและอุปกรณ์ไร้สายในปัจจุบันสามารถทำงานบนย่านความถี่ที่แตกต่างกันได้หลายสิบย่านความถี่ บางครั้งอาจมีความแตกต่างกันเพียงไม่กี่เมกะเฮิรตซ์

การแยกสัญญาณอย่างใกล้ชิดนี้ทำให้หลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวนได้ยาก เนื่องจากสัญญาณส่งสัญญาณที่แรงอาจรั่วไหลเข้าสู่เส้นทางรับสัญญาณที่ละเอียดอ่อนได้ง่าย และทำให้ประสิทธิภาพลดลง 

มีการใช้ฟิลเตอร์ประสิทธิภาพสูง ตัวดูเพล็กเซอร์ และวิธีการแยกสัญญาณที่ซับซ้อนเพื่อรักษาการแยกสัญญาณระหว่างสัญญาณเหล่านี้ แต่เนื่องจากสเปกตรัมมีการใช้งานมากขึ้นเรื่อยๆ ด้วยบริการ 5G, Wi-Fi 7และ IoT การแยกสัญญาณที่สะอาดในโมดูลขนาดเล็กจึงต้องใช้เทคโนโลยีการออกแบบและการผลิตขั้นสูงมากขึ้น

ความก้าวหน้าในโมดูล RF Front-End

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยี RF FEM ได้รับการปรับปรุงอย่างรวดเร็วด้วย 5G และ Wi-Fi 6/7 นวัตกรรมสำคัญๆ ประกอบด้วย:

การบูรณาการหลายแบนด์/หลายโหมด: หลายสิบแบนด์บนชิปตัวเดียว ช่วยลดขนาดของโมดูลแต่ละตัวในโทรศัพท์

การติดตามซองจดหมายและ Doherty PA: การออกแบบที่ชาญฉลาดยิ่งขึ้นของ เครื่องขยายเสียง ที่มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานมากขึ้นและแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น

ตัวกรองขั้นสูง: ตัวกรองคลื่นเสียงจำนวนมาก (BAW) และ ตัวกรอง คลื่นเสียงพื้นผิว (SAW) ที่สามารถทำงานในสภาพแวดล้อมสเปกตรัมที่แออัดได้

การทำให้มีขนาดเล็กลง: การทำให้โมดูลมีขนาดเล็กพอที่จะใส่ลงในสมาร์ทโฟนและอุปกรณ์สวมใส่ที่บางเฉียบ และยังคงจัดการพลังงานสูงได้

AI และการปรับแต่งอัจฉริยะ: FEM แบบปรับตัวที่ปรับประสิทธิภาพแบบไดนามิกแบบเรียลไทม์ตามเงื่อนไขสัญญาณและตำแหน่งของผู้ใช้

อนาคตของโมดูล RF Front-End

ในอนาคต RF FEMs จะได้รับการปรับปรุงตามความก้าวหน้าของเทคโนโลยีไร้สายเท่านั้น:

5G ขั้นสูง, 6G: โมดูลจะต้องทำงานที่ความถี่ที่สูงขึ้น (mmWave และแบนด์ต่ำกว่า THz) โดยไม่กินพลังงานมากนัก

การขยายตัวของ IoT ครั้งใหญ่: อุปกรณ์ IoT FEM จะมุ่งเน้นไปที่การใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษและประสิทธิภาพด้านต้นทุน

การรวมดาวเทียมกับเซลล์: FEM ในอนาคตสามารถรวมเข้ากับการเชื่อมต่อโดยตรงกับดาวเทียม ซึ่งจำเป็นต้องมีการครอบคลุมความถี่ที่กว้างขึ้น

RF Chains ที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมด้วย AI: ส่วนหน้าอัจฉริยะยิ่งขึ้นพร้อมการสอบเทียบอัตโนมัติ ลดการรบกวน และการสลับโหมดไดนามิก

มุ่งเน้นความยั่งยืน: โมดูลที่ประหยัดพลังงานมากขึ้นเพื่อลดปริมาณคาร์บอนฟุตพริ้นท์ของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อหลายพันล้านเครื่อง

ความคิดสุดท้าย

โมดูล RF front-end อาจไม่เป็นที่สังเกตสำหรับผู้ใช้ทั่วไป แต่มันคือฮีโร่ที่ไม่มีใครรู้จักที่คอยขับเคลื่อนโลกไร้สายของเราให้ก้าวต่อไป เมื่อ 5G ได้รับการยอมรับอย่างมั่นคงแล้ว และ 6G ยังคงรออยู่ บทบาทของ FEM จะยิ่งมีความสำคัญมากขึ้น โดยสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพการทำงาน และความยืดหยุ่นในรูปแบบที่กำหนดอนาคตแห่งการเชื่อมต่อของเราโดยตรง