談到 5G 無(wú)線時(shí)，我們往往會(huì)想到智能手機(jī)，并關(guān)注 5G 可以提供的高速寬帶。但智能手機(jī)只是 5G 的眾多用例之一。

5G 除了高性能之外，還兼具其他特性，例如低延遲、低功耗、安全性好，并采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。也就是說(shuō)，5G 一種極具吸引力的技術(shù)，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域，包括物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、VR/AR 頭盔和元宇宙、監(jiān)控、醫(yī)療保健、工業(yè)、汽車等。

事實(shí)上，到 2026 年，工業(yè)機(jī)器對(duì)機(jī)器 （M2M） 應(yīng)用預(yù)計(jì)將占 5G 非手機(jī)銷量的 70%，尤其是在中國(guó)；同時(shí)，《愛立信移動(dòng)市場(chǎng)報(bào)告》預(yù)測(cè)，2027 年蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接將從 2021 年的 19 億增至 55 億。

圖 1：5G 應(yīng)用

就此類其他應(yīng)用而言，其中大多數(shù)應(yīng)用都需要嵌入式無(wú)線產(chǎn)品，才能在足夠的性能、低延遲（URLLC – 參見圖 1）和低功耗之間實(shí)現(xiàn)平衡。這些應(yīng)用通常無(wú)需高速的 5G eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）功能，可能只是從傳感器或邊緣設(shè)備發(fā)送小數(shù)據(jù)包。鑒于任何特定應(yīng)用都有自己的一套要求，在為每種用例提供優(yōu)化解決方案時(shí)就需要靈活應(yīng)對(duì)。

過(guò)去，蜂窩寬帶無(wú)法為上述眾多用例提供合適解決方案，原因是可用產(chǎn)品耗電過(guò)多且不夠緊湊。因此上述眾多用例的首選技術(shù)通常是 Wi-Fi 或藍(lán)牙。盡管這兩者現(xiàn)在仍然是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的替代產(chǎn)品，但他們既無(wú)法提供 5G 的所有功能和性能，也不能連接到公共網(wǎng)絡(luò)。

隨著 5G RedCap（低容量）的發(fā)展，這種狀況將會(huì)發(fā)生變化。新的 5G RedCap 標(biāo)準(zhǔn)也稱為 NR-Lite，對(duì)于非手機(jī)應(yīng)用而言，具有非常重要的意義。它提供的性能與 LTE Cat4 相當(dāng)，速度約為 85 Mbps（用于單天線/層模式），同時(shí)降低了延遲，并兼具其他 5G 特性，如定位（在個(gè)人追蹤器領(lǐng)域具有吸引消費(fèi)者的巨大潛力）、毫米波和未經(jīng)許可頻譜、網(wǎng)絡(luò)切片等。與“標(biāo)準(zhǔn)”5G 相比，RedCap 支持使用更簡(jiǎn)單的解決方案，功耗更低，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)低成本的 5G 部署。RedCap 提供將基帶集成到 SoC 中的新選項(xiàng)，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用的 RFIC 集成，支持真正半雙工工作模式，能夠降低復(fù)雜性。

表 1：RedCap 對(duì)比傳統(tǒng)蜂窩技術(shù)

RedCap 預(yù)計(jì)將廣泛用于工業(yè)傳感器、監(jiān)控?cái)z像頭（用于智能城市和家庭安全）和可穿戴設(shè)備等用例。其技術(shù)規(guī)范將在 5G Release17 中最終確定，并預(yù)計(jì)將在 2022 年完成。第一批 RedCap 模塊可能會(huì)在 2023 年底或 2024 年推出。根據(jù)預(yù)測(cè)，RedCap 將在未來(lái)十年的后半段開始占據(jù)可觀的市場(chǎng)份額。

開發(fā)需求

一旦確定 5G 是適合自身的技術(shù)，半導(dǎo)體公司和 OEM 就需要采購(gòu)或開發(fā)相應(yīng)的組件。具體來(lái)說(shuō)，5G 調(diào)制解調(diào)器是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，會(huì)極大地影響正在設(shè)計(jì)的 5G 設(shè)備的性能、成本和功耗。

高通之類的現(xiàn)有供應(yīng)商以現(xiàn)成部件的形式提供 5G 調(diào)制解調(diào)器。但他們提供的調(diào)制解調(diào)器芯片的成本可能相對(duì)高昂，并且沒有很好的 SoC 集成路徑來(lái)降低成本。

相反，OEM 可能希望在內(nèi)部開發(fā)特定應(yīng)用的 5G 調(diào)制解調(diào)器。除了保持低成本（這是許多價(jià)格敏感型應(yīng)用所必需的）外，這種專用的 5G 調(diào)制解調(diào)器還將使他們能夠針對(duì)自己的特定需求優(yōu)化 5G 調(diào)制解調(diào)器。通過(guò)打造自己的 5G 調(diào)制解調(diào)器，各公司可以選擇在性能、功耗和延遲之間折中的合適方案。另外，OEM 還可以將 5G 基帶集成到連接 性SoC 中，。

由于外形越來(lái)越小，尤其是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，因此實(shí)現(xiàn)緊湊型解決方案也很重要。就此而言，使用片上系統(tǒng) （SoC） 是其中一種具有吸引力的解決方案，具體而言就是將一個(gè)或多個(gè)供應(yīng)商的知識(shí)產(chǎn)權(quán) （IP） 集成到一個(gè)芯片解決方案中，相比之下，使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成 5G 芯片則需要多芯片解決方案。

盡管這種想法是非常棒的，但開發(fā) 5G 調(diào)制解調(diào)器是一項(xiàng)困難且復(fù)雜的任務(wù)。過(guò)去，公司可以從 DSP 內(nèi)核著手，然后主要在軟件中實(shí)施調(diào)制解調(diào)器。如今，這還不夠，因?yàn)檫@種方案的功耗太高，無(wú)法用于大多數(shù)用例。要想實(shí)現(xiàn)足夠高的效率，就需要進(jìn)行眾多優(yōu)化，就需要加入專用的硬件加速器的加速基帶處理。對(duì)于大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，這可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

靈活的平臺(tái)方案

到目前為止，我們已經(jīng)了解針對(duì) 5G 調(diào)制解調(diào)器的兩個(gè)選項(xiàng)。第一種選項(xiàng)是，購(gòu)買專用調(diào)制解調(diào)器芯片，可能成本高昂且缺乏靈活性，也就是說(shuō)您需要受制于外部供應(yīng)商的發(fā)展路線圖，難以做出長(zhǎng)期規(guī)劃，增加更換風(fēng)險(xiǎn)，可能對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生負(fù)面影響。第二種選項(xiàng)是，投入大量資源進(jìn)行內(nèi)部開發(fā)，但這種做法會(huì)大大影響上市時(shí)間并增加風(fēng)險(xiǎn)。

還有第三種選項(xiàng)：使用可集成到您 SoC 的靈活硬件和軟件平臺(tái)。這種方案的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是靈活，比如說(shuō) CEVA 的 PentaG2，這是一款結(jié)合使用 DSP 與加速器來(lái)處理基帶的完整 IP 平臺(tái)。除了以經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式設(shè)計(jì)高性能且節(jié)能的調(diào)制解調(diào)器外，這種帶有靈活性的方案也十分重要，因?yàn)樯婕暗囊恍┘夹g(shù)（如 RedCap）尚未完全標(biāo)準(zhǔn)化。這就意味著任何解決方案都可能需要重新設(shè)計(jì)才能滿足未來(lái) 3GPP 規(guī)格更改的需求，因此硬件/軟件分區(qū)將起到非常重要的作用，并且還需要使用可配置的靈活硬件加速器。

借助基于 IP 的靈活平臺(tái)，還可以引入自己的專有算法和 IP（例如信道估計(jì)、前向糾錯(cuò) （FEC） 或高級(jí)均衡）在 SoC 上運(yùn)行。這可以充當(dāng)平臺(tái)提供的主要 IP 塊的補(bǔ)充，也可以替代平臺(tái)的一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加速器。

所需的修改量取決于應(yīng)用。例如，AR/VR 頭盔需要提供非常低的延遲和出色的服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 才能維持良好的用戶體驗(yàn)，而 5G 是唯一能夠滿足這些要求的技術(shù)。除此之外，大多數(shù) AR/VR 產(chǎn)品作為便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備時(shí)，成本和功耗也可能受到嚴(yán)格限制。有鑒于此，為了滿足所有這些相互沖突的需求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能必須在其產(chǎn)品中廣泛定制 5G 調(diào)制解調(diào)器。

結(jié)論

目前為止，有兩種主要選項(xiàng)可用來(lái)開發(fā) 5G 調(diào)制解調(diào)器：從調(diào)制解調(diào)器供應(yīng)商處購(gòu)買現(xiàn)成芯片或進(jìn)行自主開發(fā)。這兩種選項(xiàng)都有缺點(diǎn)：第一種選項(xiàng)的缺點(diǎn)是 5G 調(diào)制解調(diào)器芯片價(jià)格可能十分高昂，您也無(wú)法優(yōu)化其設(shè)計(jì)。另一種選項(xiàng)的缺點(diǎn)是，即使您能夠雇傭到足夠多的合適人員，凡事親力親為，也可能速度較慢，成本高昂且風(fēng)險(xiǎn)較大。

相反使用靈活的硬件/軟件平臺(tái)（如 PentaG2）則可以大大降低半導(dǎo)體公司和希望自行處理 5G 調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)的 OEM 的準(zhǔn)入門檻，而無(wú)論是開拓物聯(lián)網(wǎng)之類的新市場(chǎng)，還是僅僅面向 5G 手機(jī)而言。借助這種平臺(tái)方案，設(shè)計(jì)師可以將其 5G 調(diào)制解調(diào)器集成到 SoC 中，利用其可擴(kuò)展性和靈活性來(lái)優(yōu)化 5G 設(shè)計(jì)以滿足其特定需求。