RF Front End Control Interface (RFFE) in Smartphones

 

Was ist RFFE (RF Front End Control Inferface)?

Bei RFFE handelt es sich um eine Zweidrahtschnittstelle für die Steuerung von Funkfrequenz-Front-End-Subsystemen, die nicht abgeschlossene Single-Ended-CMOS-E / A für eine geringere Leistung verwendet. Die Schnittstelle kann bis zu 19 Komponenten (Verstärker, LNAs, Antennentuner, Filter und Schalter) pro Businstanz einschließlich deren Stromversorgung umfassen.

 

 

 

 

Wo wird ein RF Frontend in Mobilgeräten verwendet?

In aktuellen Mobilgeräten gibt es eine ausgeklügelte Schaltung, die für die Umwandlung von Informationen aus den Frequenzbandsignalen nahe Null verantwortlich ist, die zum Übertragen von Informationen und Daten in Funksignale verwendet werden, die über Funk empfangen oder gesendet werden können. Diese Aufgaben übernimmt das RF-Frontend.

 

 

 

RFFE-System-Configuration

 

 

 

 

Welche Aufgaben übernimmt RFFE in Mobilgeräten?

Das RF Front End (RFEE) muss die richtigen Daten zur richtigen Zeit mit den richtigen Informationen verarbeiten und mit dem richtigen Band bei der richtigen Leistungsstufe senden. In einem modernen Smartphone gibt es mehrere Antennen zum Senden und Empfangen von Signalen. Je nach Technologie können 6 oder mehr Antennen (3G, 4G, 5G, WIFI, GPS…) vorhanden sein! Für jede Antenne muss ein Pfad zum Senden oder Empfangen vorhanden sein, der das Signal von der Antenne zum Modell überträgt. Diese Pfade werden als RF-Signalpads oder RF-Ketten bezeichnet. Je mehr Antennen zum Gerät hinzugefügt werden, desto mehr HF-Ketten benötigen Sie. Jede HF-Kette benötigt eine Reihe von Komponenten, die das Signal verarbeiten, und alle diese Komponenten sowie die Interaktion dieser Komponenten mit Antennen und mit dem Modem müssen im Detail verstanden werden.

 

 

 

Wie funktioniert ein RF-Frontend in einem herkömmlichen Funkempfänger?

Schauen wir uns das RF-Frontend einer Funkempfängerschaltung etwas genauer an, um zu sehen, welche Aufgaben das Frontend übernimmt. Das RF-Frontend ist der generische Name für alle Schaltkreise zwischen einem Empfängerantenneneingang bis zur Mischstufe. Für die meisten Architekturen besteht das RF-Frontend aus:

  • Ein HF-Filter (der eigentlich ein Bandpassfilter ist) empfängt das elektromagnetische Signal von der Antenne. Seine Aufgabe ist es, die Image Frequenz zu entfernen und zu verhindern, dass starke Außerbandsignale die Eingangsstufen sättigen.
  • Ein HF-Verstärker, mit dem schwache Signale ohne Rauschen verstärkt werden
  • Ein lokaler Oszillator, der ein stabiles Hochfrequenzsignal nahe dem Eingangssignal erzeugt
  • Ein Mixer, der ein Signal mit einer bestimmten gewünschten Frequenz erzeugt, indem er das EM-Wellensignal von der Antenne mit dem lokalen Oszillatorsignal „mischt“.

 

 

 

 

Wie funktionieren RF-Frontends in Mobiltelefonen?

In Mobiltelefonen wird die vom Mixer erzeugte Frequenz (auch Zwischenfrequenz genannt) digitalisiert, abgetastet und in eine binäre digitale Form umgewandelt. Der Rest der Verarbeitung erfolgt durch digitale Filter, die kleiner sind, weniger Strom verbrauchen und mehr Selektivität aufweisen können.

 

 

Was sind die Hauptherausforderungen bei der Entwicklung solcher RF-Frontends für Mobiltelefone?

Jede HF-Kette benötigt eine Reihe von Komponenten, die das Signal verarbeiten. Bei Mobiltelefonen und Mobilgeräten gibt es aufgrund der Anzahl der Antennen viele Herausforderungen:

  • Die verschiedenen Signale, die sich nicht gegenseitig stören dürfen
  • Auswahl oder Design der richtigen Komponenten für jeden Teil der HF-Ketten
  • Designer müssen überlegen, wie sie Systeme entwerfen können, die die Architektur der Kommunikation der Zukunft unterstützen!

 

 

 

 

 

Welche Hersteller bieten RFFE Lösungen für Mobilgeräte an?

Zahlreiche Hersteller bieten geeignete Lösungen für Smartphones und co. an, darunter Qualcomm, NXP usw. Ein Beispiel für diese ist das Advanced RF WLAN11ax-Portfolio von NXP.

Fortschrittliche 5G-Geräte stellen hohe Anforderungen an Leistung, Integration, Größe und Wi-Fi 6-Fähigkeit. Die RFFE-Lösung von NXP ist hochintegriert und dicht gepackt in einem 3 mm x 4 mm großen Paket. Es wurde mit Wi-Fi 6-Funktion entwickelt, um fortschrittliche tragbare Computergeräte, einschließlich erstklassiger 5G-Smartphones, zu unterstützen und 2x2-MIMO-Funktionen mit höchster Leistung zu ermöglichen. Die kompakte Hochleistungs-RFFE-Lösung von NXP kann die Entwurfszeit verkürzen und die Markteinführungszeit für Originalgerätehersteller (OEMs) erheblich verkürzenDas leistungsstarke WLAN11ax-Portfolio von NXP unterstützt Kunden dabei, den ständig wachsenden Bedarf an mehr Bandbreite zu decken, indem es sowohl das 2,4-GHz- als auch das 5-GHz-Band bereitstellt, die dem 802.11ax Wi-Fi 6-Standard entsprechen. NXP bietet ein flexibles Portfolio, das sich über diese Spezifikationen erstreckt. NXP bietet MIMO-Unterstützung (2x2 Multiple Input Multiple Output) für IEEE802.11a / n / ac / ax-Anwendungen.

 

 

Entwicklung und Zukunft von RFFE Interface

Mit Blick auf 5G, das immer mehr Antennen auf das Gerät bringen wird, ist es wichtig, dass sich RFFE weiterentwickelt! Die aktuelle Version, MIPI RFFE v3.0, wurde entwickelt, um eine genauere Timing-Präzision und reduzierte Latenzen zu erzielen, die erforderlich sind, um den 5G-Rollout weltweit voranzutreiben. Die neue Version optimiert und optimiert die Schnittstelle, um schnellere und dynamischere Konfigurationsänderungen innerhalb und zwischen RFFE-Subsystemen zu ermöglichen und die spezifischen Funktionen bereitzustellen, die für den Frequenzbereich 1 (FR1) herkömmlicher Sub-6-GHz-Mobilfunkbänder erforderlich sind. In den letzen Jahren wurden zahlreiche neue Technologien eingeführt, die eine Technikrevolution versprechen.

Darunter fällt auch der neue Funkstandard 5G, der wesentlich höhere Datenraten, Übertragungskapazitäten sowie sehr geringe Latenzen spezifiziert. 5G soll in viel mehr Frequenzbändern funktionieren als seine Vorgänger. Entsprechend komplex ist das HF-Subsystem. Die neue von MIPI veröffentlichte RFFE Version 3.0 bietet optimierte Trigger-Funktionen und eine vereinfachte Front-End-Steuerung, die die Performance der 5G-Funkschnittstelle verbessern sollen und das Implementieren von 5G in eigene Projekte erleichtern.

Damit die Komponenten und Funktionsblöcke innerhalb des Hochfrequenz-Front-End-Moduls (HF-FEM) besser zusammenarbeiten, hat die MIPI Alliance die „Radio Frequency Front End Control Interface“-Spezifikation – kurz MIPI RFFE weitreichend überarbeitet. Zukünftig soll die gesamte Steuerung des HF-FEM über einen einzigen Bus erfolgen. Dies soll einen flexibleren Aufbau des Front-Ends ermöglichen.Die Funkschnittstelle ist eine Kernkomponente jeder Mobilfunktechnik.

 

 

 

Werkzeuge für die Entwicklung mit RFFE

Prodigy_PGY-RFFE-EX-PD-1700

 

RFFE Protocol Analyzer

 

Der PGY-RFFE-EX-PD ist das fortschrittlichste Messgerät im RFFE Bereich. Es ermöglicht den Entwicklungs- und Testingenieuren die RFFE-Schnittstelle auf ihre Spezifikationen hin zu testen indem sie den PGY-RFFE-EX-PD als Master/Slave konfigurieren, RFFE-Verkehr mit Fehlerinjektionen, Amplitudenvariation und eine Dekodierung der RFFE-Protokollpakete erzeugen.

 

 

GUI

Features des PGY-RFFE-EX-PD

  • Unterstützt RFFE2.0/2.1 Spezifikation
  • Konfigurierbar als Master oder Slave
  • Erzeugung unterschiedlicher RFFE bei halber und voller Frequenzgeschwindigkeit
  • Fehlerinjektion wie Paritätsfehler und ACK/NACK-Fehler
  • Variable RFFE-Datengeschwindigkeiten
  • Gleichzeitige Generierung von RFFE-Verkehr und Protokolldekodierung des Busses
  • Timing-Diagramm des protokolldekodierten Busses
  • Protokoll-Aktivitätsübersicht
  • Fehleranalyse bei der Protokolldekodierung
  • Möglichkeit, ein Trainingsskript zu schreiben, um mehrere Data Frame Generierungen mit unterschiedlichen Datengeschwindigkeiten zu kombinieren.
  • USB2/3 Host-Computer-Schnittstelle
  • Flexibel erweiterbar auf die jeweilige weiterentwickelte Version RFFE-Spezifikation