一文看懂 5G 射频的 “黑科技”


人们对手机的关注,往往集中在 CPU、GPU、基带、屏幕、摄像头上。有那么一个特殊的部件,对手机来说极为重要,却很少有人留意。是哪个部件呢?没错,它就是我们今天文章的主角 —— 射频。

    手机,作为移动互联网时代的标配,已经走进了我们每个人的生活。有了它,我们可以随心所欲地聊天、购物、追剧,享受美好的人生。正因为手机如此重要,所以人们对相关技术的发展十分关注。每当有新品发布,媒体会进行长篇累牍的报道,社交网络上也会掀起热烈的讨论。


【零】什么是射频

    射频,英文名是 Radio Frequency,也就是大家熟悉的 RF。从字面上来说,Radio Frequency 是无线电频率的意思。射频信号,则特指频率范围在300KHz~300GHz 的无线电磁波。大家都知道,手机之所以能够和基站进行通信,靠的就是互相收发无线电磁波。

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    手机里专门负责收发无线电磁波的一系列电路、芯片、元器件等,被统称为射频系统,简称 “射频”(下同)。射频和基带,是手机实现通信功能的基石。如果我们把手机与外界的通信看作是一项 “快递服务”,那么,基带的职责是对数据进行 “打包 / 拆包”。而射频的职责,则是将 “包裹” 通过指定的无线电频段发射出去 / 接收下来。

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▲示意图:左边是基带,右边是射频

    射频到底长什么样?下面这张,是某品牌手机的主电路板正反面布局图。

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(▲图片来自 ABI Research)

    图中,黄色圈出的部分,全部属于射频。可以看出,射频元件在手机构造中,占据了不小的比例。从架构上来看,一套完整的射频系统包括射频收发器、射频前端、天线三个部分。射频前端又包括功率放大器、包络追踪器、低噪声放大器、滤波器、天线开关、天线调谐器等多个组件。

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▲射频的架构

    射频前端各个组件的作用并不复杂。例如,放大器,就是把信号放大,让信号传得更远;滤波器,是把杂波去掉,让信号更 “纯净”;天线开关,用于控制天线的启用与关闭;天线调谐器,主要作用是 “摆弄” 天线,获得最好的收发效果……

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    数量众多的射频组件,相互配合,分工协作,就是为了完成 “临门一脚”,把基带打包好的数据发射出去。

    如果射频设计不合理,元器件性能落后,那么,将直接影响手机的无线信号收发能力,进而影响手机的通信能力。具体表现出来,就是无线信号差,通信距离短,网络速率慢,等等。换言之,手机的射频能力不行,就好比汽车的动力不足,就算其它功能再花哨,也无法被用户所接受。所以,手机厂商在研发设计手机时,通常都会在射频方面下足功夫,反复推敲并进行测试验证,才敢推出最终产品。


【一】5G 射频的挑战

    5G 相比 4G,在性能指标上有了大幅的提升。5G 的 eMBB(增强型移动宽带)场景,将手机速率提升至千兆级甚至万兆级,分别是早期 LTE 速率(100Mbps)的 10 倍 / 100 倍。

    2G/3G/4G,加上 5G,加上 MIMO(多天线技术),加上双卡双待,手机的天线数量和支持频段翻倍增加。4G 早期只有不到 20 个频段组合。相比之下,5G 有超过 10000 个频段组合,复杂性堪称恐怖。

    与此同时,为了确保用户愿意升级,5G 手机的厚度和重量不能增加,功耗不能增加,待机时长不能减少。

    换做你是手机厂商,你会不会抓狂?

    所以说,5G 手机的射频,必须重塑自我,大力出奇迹搞创新。

    到底该如何解决射频系统的设计难题呢?高通提出了一个宏观的思路,直接提供 “完整的调制解调器及射频系统”。通俗理解,就是把基带、射频收发器、射频前端、天线模组、软件框架等,全部都做好,给厂商一套完整的方案。

    也就是说,5G 手机等终端元器件设计的理念,必须摒弃以往 “东市买骏马,西市买鞍鞯,南市买辔头,北市买长鞭” 专注于单个元件的思路,转而采用 “打包设计” 的一体化系统级解决方案。

    例如,以前是 A 厂造基带,B 厂造射频,C 厂造天线,然后手机 D 厂自己捣鼓如何整合和对接。现在,改成有实力的大厂直接把基带、射频和天线等一起打包设计好,然后交给手机厂商,拿了就能快速使用。

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    系统级集成,是 5G 基带和射频复杂度大幅提升的必然结果。

    这就好比是火车。以前绿皮车的车速慢,车厢和车头可以分开设计、制造,然后拼在一起运行。但是,到了高铁时代,速度指标翻倍,如果继续分开设计、制造,车厢和车头不能深度协同,不仅速度指标难以实现,还可能出现安全问题。所以,高铁的动车组,通常都是统一设计和制造的。

    也就是说,面对前面提及的苛刻 5G 指标,需要站在系统级集成的角度,对基带和射频进行整体设计。这样一来,才能让两者实现完美的软硬件协同,发挥最佳性能(吞吐率、覆盖范围等)。除了达成指标之外,整合设计也有利于缩减系统的最终尺寸,减少对手机空间的占用。对于系统功耗和散热控制来说,整合设计也有明显优势。最后一点,也是很重要的一点,提供系统级整合方案,可以降低手机厂商的设计难度,方便他们以更快的速度推出产品,抢占市场。


【二】5G 射频的黑科技

    我们来具体看看,系统级集成的 5G 射频,到底有哪些有趣的黑科技。

    首先,第一个黑科技,就是宽带包络追踪。前面介绍射频架构的时候,里面就有一个功率追踪器。功率追踪器是配合功率放大器使用的。功率放大器是射频的核心元件,它就像一个喇叭,把小声音(信号)变成大声音(信号)。想要把喇叭吹响,肯定需要鼓足力气(电源供电)。功率追踪器的作用,就是控制吹喇叭的力度(功率)。

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    传统的吹法,是 APT 法,也就是平均功率追踪。某一时间段内,吹的力量保持不变。而宽带包络追踪(ET)技术,可以精确地控制力量。也就是说,基带(调制解调器)可以根据信号的变化,控制射频里的包络追踪器,进而精准控制无线信号的发射功率。

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▲包络追踪的虚耗电量明显小于传统平均功率追踪(图片来自高通)

    这样一来,体力(能量)大幅节约了,射频的功耗也就下降了,手机的待机时间得以增加。

    精准的发射功率控制,帮助手机获得最佳的信号发射效率,从而获得更好的信道质量。在手机与基站 “双向沟通” 过程中,当手机获得更好的信道质量时,基站就能支持手机实现更优的上下行业务,例如支持 2×2 MIMO,网速更加丝滑。此外,更好的信道质量,也为基站侧给手机分配更高阶的调制方式(例如 256QAM)创造了条件,可以提升手机吞吐率,支持更快更优的数据传输业务。

    高通此前发布的几代骁龙 5G 调制解调器及射频系统集成的宽带包络追踪器,就已经采用了上述技术。而其最新的宽带包络追踪器 QET7100,与目前市场上其它厂商提供的最先进产品相比,能效提升了 30%。

    我们介绍的第二个黑科技,就是 AI 辅助信号增强技术。这个技术是 2 月份刚推出的骁龙 X65 5G 调制解调器及射频系统中最新发布的新技术,也是行业里首次将大热的 AI 技术引入手机射频系统,用于增强信号。AI 辅助信号增强技术的核心,就是将 AI 技术引入天线调谐系统。天线调谐分为两种方式,一个是阻抗匹配,另一个是孔径调谐。

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    我们先看看阻抗匹配。

    所谓阻抗匹配,我们可以理解为是一种 “接水管” 的工作。射频系统元件与天线之间对接,就像两根水管对接。当阻抗一致时,就是位置完美对应,这时水流最大,信号的效率最高。如果元件的阻抗发生偏移,那么水管就歪了,水流就小了,一部分水流也浪费了。

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    导致阻抗变化的原因很多,例如手的触碰,还有插接数据线、安装手机壳等。即便是不同的持握手势(左手、右手、单手、双手),也会带来不同的阻抗。传统的阻抗匹配做法,就是在实验室对各种造成阻抗变化的原因进行测试,找到天线特征值,然后通过调制解调器控制射频元件进行阻抗调节,让接水管尽可能对准送水管。

    而 AI 辅助信号增强技术,就是引入 AI 算法,对各种阻抗变化原因的天线特征值进行大数据分析和机器学习,实现对阻抗的智能调节,达到最完美的匹配效果。说白了,就有点像在送水管和接水管之间,安装了一根对接软管,让水流尽可能不浪费。

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▲AI 辅助信号增强,相当于射频和天线间的对接软管

    孔径调谐相对来说较为简单,就是调节天线的电长度。

    从辐射学的角度来说,天线的完美长度应该是波长的四分之一。现在的手机,因为全网通、双卡双待等原因,移动通信系统的工作频率是动态变化的。例如,有时候工作在 2.6GHz,有时候工作在 3.5GHz。工作频率如果变化,意味着最佳波长也变化了。所以,需要对天线进行孔径调谐,调节天线的长度,拉长波峰,以此达到最佳效果。

    总而言之,以阻抗匹配和孔径调谐为基础的天线调谐技术,主要作用是克服外部环境对天线信号的影响,对信号进行动态调节,改善用户体验。

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    根据实际验证,凭借着 AI 辅助信号增强技术,系统的情境感知准确性可以提升 30%,能够明显降低通话掉线率,提升速率、覆盖和续航。


【三】结语

    5G 射频系统的创新黑科技还有很多,例如多载波优化、去耦调谐、多 SIM 卡增强并发等。这些黑科技全部都是技术创新的成果。它们凝结了工程师们的智慧,也为 5G 终端的顺利推出奠定了基础。

    如今的 5G 射频,已不再是基带的辅助,而是能够和基带平起平坐、相辅相成的重要手机组件。随着 5G 网络建设的不断深入,除了手机通信之外,越来越多的 5G 垂直行业应用场景也开始落地开花。5G 终端的形态将会变得五花八门,更大的考验将会摆在 5G 射频前端的面前。

    届时 5G 射频又会玩出什么新花样?让我们拭目以待!

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王昌栋:
03月27日 12:07
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