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包络追踪芯片: 能效提升以及对移动通信生态系统的额外福利

September 27, 2017

Wayne Lam Wayne Lam Principal Analyst, Mobile Devices & Networks

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智能手机的电池续航能力持续受到挑战。智能手机中的锂聚合物电池容量无法满足重度用户不断增长的需求。持续增长的屏幕尺寸和越来越多的应用场景如在线视频,以及基于摄像头和导航的应用给移动设备的电池续航时间带来越来越大的压力。电池容量可以增加,但仍不足以满足上述智能手机设计和使用场景变化的需求。IHS Markit的研究数据显示电池的容量随着智能手机屏幕尺寸变大而增加。事实上电池容量的增长速度是同期屏幕尺寸的两倍,凸显了更长电池续航时间在每款设备设计中的重要性。

电池容量不会无限制持续增加。未来智能手机的平均屏幕尺寸将达到5.5英寸至6英寸之间的峰值; 且智能手机的屏幕尺寸通常会限制电池尺寸,OEM厂商将把注意力转移到提高电源利用效率上。从终端用户的角度来看,省电也应该被看作是一项功能,与其他设备特性同等重要,毕竟智能手机在没电的情况下毫无价值。

电池续航时间的提升可以通过为耗电的LTE射频元器件启用更先进的电源管理技术来实现,其中包络追踪(ET)已经成为延长移动设备续航的关键技术之一。射频前端(RFFE) 消耗了手机电池续航时间的15%到40%,而且在RFFE中,功率放大器是耗电大户之一。OEM厂商可以通过在其设备设计中部署包络追踪(ET)来提高功率放大器和RFFE的效率。以下是IHS Markit三篇关于RFFE的重要性及技术趋势系列文章中的第二篇。在这篇文章中,IHS Markit将重点关注包络追踪(ET)芯片的重要性,在全球智能手机领域的机遇,以及对用户、OEM厂商和网络运营商的影响。

包络追踪:带来更有效的通信

如果有人声嘶力竭地大喊大叫,他们是否能长时间进行有效的对话?可能不会。然而在高端市场之外,许多LTE智能手机RFFE中的功率放大器目前基本上仍像以上描述工作着。正如其名字所示,功率放大器将智能手机和其他移动设备传输至蜂窝基站的射频信号功率放大,以便在无线网络中进行通信。如果没有对信号质量和其他指标的系统级反馈,如设备与基站的相对位置等,就会有像功率放大器等器件浪费宝贵电量的潜在问题。这就是调制解调器辅助包络追踪技术所要起的作用;当需要更低的功率水平时,系统可以低声细语,从而有效地保护电力,避免大喊大叫。

包络追踪芯片通过动态调整功率放大器的输入电压来匹配其所需的功率以改善射频前端的效率。自2013年推出以来,ET芯片已在高端智能手机市场普及,并逐渐渗透到中端手机设计中。未来几年,高端以及中高端智能手机市场将成为智能手机行业中增长最快的细分市场,为ET解决方案提供一个未来发展的机遇。

智能手机市场即将步入5G时代, ET芯片的重要性也随之不断增强。结合了上行(UL)载波聚合(CA)功能的LTE Advanced和LTE Advanced Pro设备,已在过去出货几代。利用UL CA的能力,设备能够将不同的射频频谱组合起来,获得更大的带宽,以实现更快的上行速度,为用户提供更好的体验;比如通过智能手机将视频上传至社交媒体。UL相关的射频设计中潜在的复杂性提升将进一步体现RFFE中电源效率的重要性。

和与之竞争的平均功率追踪(APT)技术相比,ET可以提高30%的功率效率。像任何电子系统一样,浪费的能量转化为热量,使用包络追踪技术的智能手机比未使用该技术的智能手机发热更低。值得注意的是,在中、高频段和更高的输出级别上,包络追踪(ET)相对APT的优势更为明显, 这也是这项技术在新兴的高功率用户设备(HPUE)上运行良好的原因。

HPUE及其对包络追踪芯片的影响

2012年,运营商Sprint(正被Softbank收购中)宣布将以大约22亿美元的价格收购Clearwire的剩余股份。当时Clearwire的价值主要体现在WiMax;在4G无线宽域网络领域和LTE竞争的主要技术之一。此次收购的主要利好之一是Clearwire拥有LTE可使用的2.5 GHz频段。Sprint目前在美国一些主要地区拥有160 MHz的带宽,但是它的4G LTE的可用性有限。因为2.5 GHz的频率不会像低频那样,如700MHz的频率传播的那么远或者深入建筑物内部。

为了使其拥有的大量2.5GHz频谱更有效率,Sprint和其他移动通信生态系统参与者追求的HPUE技术将设备最大功率2级信号输出功率从23 dBm提高到26 dBm,对应的输出功率增加了一倍。从而使用户设备可以更好地利用Sprint的2.5 GHz频段,以带来更好的网络覆盖, Sprint的2.5 GHz的户外覆盖范围将接近于其1.9 GHz的中间频段表现,并增加了室内覆盖范围。对于包络追踪芯片而言,HPUE的流行具有明确的意义,ET在高峰值平均功率比场景下表现耀眼。总体来说,平均功率追踪(APT)在信号电平低于15dbm的情况下是一种有效的功率控制方法,但随着信号功率的增大,ET和APT的性能和能效之间的差别变得明显。一款支持包络追踪的手机可以从更高的功率输出中受益,在消耗相同电量的情况下获得更广泛的覆盖范围,而在低功率输出水平下维持与APT技术相当的功耗。换句话说,与APT相比包络追踪在相同的输出级别上可以更有效地控制功耗。

包络追踪技术给智能手机终端用户、OEM厂商和网络运营商带来的福利

从终端用户的角度来看,同样使用15分钟的LTE网络,有包络追踪的智能手机比没有包络追踪的智能手机运行时的温度要低5到15度。高能效是OEM厂商和他们的智能手机设计的主要收益点,因为电池使用时间是消费者选购产品时在意的比较参数之一。在网络方面,包络追踪解决方案将有助于支持HPUE和上行载波聚合的智能手机,网络运营商可以通过更少的基础设施来实现这一功能。上行载波聚合还将减少终端用户在网络上执行任务的时间,比如上传视频或发布到社交媒体;这将最终提高网络容量。

包络追踪芯片市场的未来

包络追踪解决方案已应用至高出货量中档智能手机平台,如高通骁龙630和660,同意也被中国OEM厂商如小米和一加等使用。中国中档智能手机是一个巨大的市场,尽管其中的一些设计可能成本敏感,采用包络追踪技术带来的收益超过成本。包络追踪技术因其显著的优点和如Sprint、软银和潜在的中国移动等拥有41个频段的大型运营商迅速采用的HPUE技术,将在未来几年内实现强劲的增长。IHS Markit预计使用包络追踪芯片的智能手机出货量将从2015年的4.11亿增长到2021年的7.48亿,年复合增长率(CAGR)超过10%。由于ET目前在高端智能手机的普及以及在中高端的产品中越来越流行, IHS Markit预计2021年配备包络追踪芯片的智能手机将占出货总量的42%。

HPUE一样包络追踪将从5G技术的部署中受益一些Sub 6-GHz的频段在高与Band 41(2.5 GHz)的频段上也可能需要高功率输出使用包络追踪技术具有将更好的能效未来的智能手机将需要闭环包络追踪解决方案以获得足够高的能效,在使用5G功能时为终端用户提供更长的电池使用时间与智能手机射频前端类似抓住包络追踪的发展机遇;拥有更深的系统专业技术的供应商将处于有利地位在智能手机射频前端系列的下一篇也是最后一篇文章中IHS Markit将把重点放在天线调制技术及其在射频前端上的重要性

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