一文看懂 5G 射頻的 “黑科技”

作為移動互聯(lián)網(wǎng)時代的標(biāo)配，已經(jīng)走進了我們每個人的生活。有了它，我們可以隨心所欲地聊天、購物、追劇，享受美好的人生。

正因為手機如此重要，所以人們對相關(guān)技術(shù)的發(fā)展十分關(guān)注。每當(dāng)有新品發(fā)布，媒體會進行長篇累牘的報道，社交網(wǎng)絡(luò)上也會掀起熱烈的討論。

然而，人們對手機的關(guān)注，往往集中在 CPU、GPU、基帶、屏幕、攝像頭上。有那么一個特殊的部件，對手機來說極為重要，卻很少有人留意。

是哪個部件呢？沒錯，它就是我們今天文章的主角 —— 射頻。

什么是射頻

射頻，英文名是 Radio Frequency，也就是大家熟悉的 RF。從字面上來說，Radio Frequency 是無線電頻率的意思。射頻信號，則特指頻率范圍在 300KHz~300GHz 的無線電磁波。

大家都知道，手機之所以能夠和基站進行通信，靠的就是互相收發(fā)無線電磁波。

手機里專門負(fù)責(zé)收發(fā)無線電磁波的一系列電路、芯片、元器件等，被統(tǒng)稱為射頻系統(tǒng)，簡稱 “射頻”（下同）。

射頻和基帶，是手機實現(xiàn)通信功能的基石。如果我們把手機與外界的通信看作是一項 “快遞服務(wù)”，那么，基帶的職責(zé)是對數(shù)據(jù)進行 “打包 / 拆包”。而射頻的職責(zé)，則是將 “包裹” 通過指定的無線電頻段發(fā)射出去 / 接收下來。

▲示意圖：左邊是基帶，右邊是射頻

射頻到底長什么樣？下面這張，是某品牌手機的主電路板正反面布局圖。

（▲圖片來自 ABI Research）

圖中，黃色圈出的部分，全部屬于射頻?？梢钥闯?，射頻元件在手機構(gòu)造中，占據(jù)了不小的比例。

從架構(gòu)上來看，一套完整的射頻系統(tǒng)包括射頻收發(fā)器、射頻前端、天線三個部分。射頻前端又包括功率放大器、包絡(luò)追蹤器、低噪聲放大器、濾波器、天線開關(guān)、天線調(diào)諧器等多個組件。

▲射頻的架構(gòu)

射頻前端各個組件的作用并不復(fù)雜。例如，放大器，就是把信號放大，讓信號傳得更遠(yuǎn)；濾波器，是把雜波去掉，讓信號更 “純凈”；天線開關(guān)，用于控制天線的啟用與關(guān)閉；天線調(diào)諧器，主要作用是 “擺弄” 天線，獲得最好的收發(fā)效果……

數(shù)量眾多的射頻組件，相互配合，分工協(xié)作，就是為了完成 “臨門一腳”，把基帶打包好的數(shù)據(jù)，“biu~biu~biu~” 地發(fā)射出去。

如果射頻設(shè)計不合理，元器件性能落后，那么，將直接影響手機的無線信號收發(fā)能力，進而影響手機的通信能力。具體表現(xiàn)出來，就是無線信號差，通信距離短，網(wǎng)絡(luò)速率慢，等等。

換言之，手機的射頻能力不行，就好比汽車的動力不足，就算其它功能再花哨，也無法被用戶所接受。

所以，手機廠商在研發(fā)設(shè)計手機時，通常都會在射頻方面下足功夫，反復(fù)推敲并進行測試驗證，才敢推出最終產(chǎn)品。

5G 射頻的挑戰(zhàn)

如今，我們昂首邁入了 5G 時代。相比傳統(tǒng) 4G，5G 的射頻系統(tǒng)有變化嗎？

答案是肯定的。不僅有變化，而且是巨變。

5G 相比 4G，在性能指標(biāo)上有了大幅的提升。5G 的 eMBB（增強型移動寬帶）場景，將手機速率提升至千兆級甚至萬兆級，分別是早期 LTE 速率（100Mbps）的 10 倍 / 100 倍。

2G/3G/4G，加上 5G，加上 MIMO（多天線技術(shù)），加上雙卡雙待，手機的天線數(shù)量和支持頻段翻倍增加。4G 早期只有不到 20 個頻段組合。相比之下，5G 有超過 10000 個頻段組合，復(fù)雜性堪稱恐怖。

與此同時，為了確保用戶愿意升（tāo）級（qián），5G 手機的厚度和重量不能增加，功耗不能增加，待機時長不能減少。

換做你是手機廠商，你會不會抓狂？

所以說，5G 手機的射頻，必須重塑自我，大力出奇跡搞創(chuàng)新。

到底該如何解決射頻系統(tǒng)的設(shè)計難題呢？高通提出了一個宏觀的思路，直接提供 “完整的調(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng)”。通俗理解，就是把基帶、射頻收發(fā)器、射頻前端、天線模組、軟件框架等，全部都做好，給廠商一套完整的方案。

也就是說，5G 手機等終端元器件設(shè)計的理念，必須摒棄以往 “東市買駿馬，西市買鞍韉，南市買轡頭，北市買長鞭” 專注于單個元件的思路，轉(zhuǎn)而采用 “打包設(shè)計” 的一體化系統(tǒng)級解決方案。

例如，以前是 A 廠造基帶，B 廠造射頻，C 廠造天線，然后手機 D 廠自己搗鼓如何整合和對接?，F(xiàn)在，改成有實力的大廠直接把基帶、射頻和天線等一起打包設(shè)計好，然后交給手機廠商，拿了就能快速使用。

系統(tǒng)級集成，是 5G 基帶和射頻復(fù)雜度大幅提升的必然結(jié)果。

這就好比是火車。以前綠皮車的車速慢，車廂和車頭可以分開設(shè)計、制造，然后拼在一起運行。但是，到了高鐵時代，速度指標(biāo)翻倍，如果繼續(xù)分開設(shè)計、制造，車廂和車頭不能深度協(xié)同，不僅速度指標(biāo)難以實現(xiàn)，還可能出現(xiàn)安全問題。

所以，高鐵的動車組，通常都是統(tǒng)一設(shè)計和制造的。

也就是說，面對前面提及的苛刻 5G 指標(biāo)，需要站在系統(tǒng)級集成的角度，對基帶和射頻進行整體設(shè)計。這樣一來，才能讓兩者實現(xiàn)完美的軟硬件協(xié)同，發(fā)揮最佳性能（吞吐率、覆蓋范圍等）。

除了達成指標(biāo)之外，整合設(shè)計也有利于縮減系統(tǒng)的最終尺寸，減少對手機空間的占用。對于系統(tǒng)功耗和散熱控制來說，整合設(shè)計也有明顯優(yōu)勢。

最后一點，也是很重要的一點，提供系統(tǒng)級整合方案，可以降低手機廠商的設(shè)計難度，方便他們以更快的速度推出產(chǎn)品，搶占市場。

5G 射頻的黑科技

我們來具體看看，系統(tǒng)級集成的 5G 射頻，到底有哪些有趣的黑科技。

首先，第一個黑科技，就是寬帶包絡(luò)追蹤。

前面介紹射頻架構(gòu)的時候，里面就有一個功率追蹤器。功率追蹤器是配合功率放大器使用的。

功率放大器是射頻的核心元件，它就像一個喇叭，把小聲音（信號）變成大聲音（信號）。

想要把喇叭吹響，肯定需要鼓足力氣（電源供電）。功率追蹤器的作用，就是控制吹喇叭的力度（功率）。

傳統(tǒng)的吹法，是 APT 法，也就是平均功率追蹤。某一時間段內(nèi)，吹的力量保持不變。

而寬帶包絡(luò)追蹤（ET）技術(shù)，可以精確地控制力量。也就是說，基帶（調(diào)制解調(diào)器）可以根據(jù)信號的變化，控制射頻里的包絡(luò)追蹤器，進而精準(zhǔn)控制無線信號的發(fā)射功率。

▲包絡(luò)追蹤的虛耗電量明顯小于傳統(tǒng)平均功率追蹤（圖片來自高通）

這樣一來，體力（能量）大幅節(jié)約了，射頻的功耗也就下降了，手機的待機時間得以增加。

精準(zhǔn)的發(fā)射功率控制，幫助手機獲得最佳的信號發(fā)射效率，從而獲得更好的信道質(zhì)量。在手機與基站 “雙向溝通” 過程中，當(dāng)手機獲得更好的信道質(zhì)量時，基站就能支持手機實現(xiàn)更優(yōu)的上下行業(yè)務(wù)，例如支持 2×2 MIMO，網(wǎng)速更加絲滑。此外，更好的信道質(zhì)量，也為基站側(cè)給手機分配更高階的調(diào)制方式（例如 256QAM）創(chuàng)造了條件，可以提升手機吞吐率，支持更快更優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

高通此前發(fā)布的幾代驍龍 5G 調(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng)集成的寬帶包絡(luò)追蹤器，就已經(jīng)采用了上述技術(shù)。而其最新的寬帶包絡(luò)追蹤器 QET7100，與目前市場上其它廠商提供的最先進產(chǎn)品相比，能效提升了 30%。

我們介紹的第二個黑科技，就是 AI 輔助信號增強技術(shù)。

這個技術(shù)是 2 月份剛推出的驍龍 X65 5G 調(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng)中最新發(fā)布的新技術(shù)，也是行業(yè)里首次將大熱的 AI 技術(shù)引入手機射頻系統(tǒng)，用于增強信號。

AI 輔助信號增強技術(shù)的核心，就是將 AI 技術(shù)引入天線調(diào)諧系統(tǒng)。天線調(diào)諧分為兩種方式，一個是阻抗匹配，另一個是孔徑調(diào)諧。

我們先看看阻抗匹配。

所謂阻抗匹配，我們可以理解為是一種 “接水管” 的工作。

射頻系統(tǒng)元件與天線之間對接，就像兩根水管對接。當(dāng)阻抗一致時，就是位置完美對應(yīng)，這時水流最大，信號的效率最高。如果元件的阻抗發(fā)生偏移，那么水管就歪了，水流就小了，一部分水流也浪費了。

導(dǎo)致阻抗變化的原因很多，例如手的觸碰，還有插接數(shù)據(jù)線、安裝手機殼等。即便是不同的持握手勢（左手、右手、單手、雙手），也會帶來不同的阻抗。

傳統(tǒng)的阻抗匹配做法，就是在實驗室對各種造成阻抗變化的原因進行測試，找到天線特征值，然后通過調(diào)制解調(diào)器控制射頻元件進行阻抗調(diào)節(jié)，讓接水管盡可能對準(zhǔn)送水管。

而 AI 輔助信號增強技術(shù)，就是引入 AI 算法，對各種阻抗變化原因的天線特征值進行大數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)，實現(xiàn)對阻抗的智能調(diào)節(jié)，達到最完美的匹配效果。

說白了，就有點像在送水管和接水管之間，安裝了一根對接軟管，讓水流盡可能不浪費。

▲AI 輔助信號增強，相當(dāng)于射頻和天線間的對接軟管

孔徑調(diào)諧相對來說較為簡單，就是調(diào)節(jié)天線的電長度。

從輻射學(xué)的角度來說，天線的完美長度應(yīng)該是波長的四分之一?，F(xiàn)在的手機，因為全網(wǎng)通、雙卡雙待等原因，移動通信系統(tǒng)的工作頻率是動態(tài)變化的。例如，有時候工作在 2.6GHz，有時候工作在 3.5GHz。

工作頻率如果變化，意味著最佳波長也變化了。所以，需要對天線進行孔徑調(diào)諧，調(diào)節(jié)天線的長度，拉長波峰，以此達到最佳效果。

總而言之，以阻抗匹配和孔徑調(diào)諧為基礎(chǔ)的天線調(diào)諧技術(shù)，主要作用是克服外部環(huán)境對天線信號的影響，對信號進行動態(tài)調(diào)節(jié)，改善用戶體驗。

根據(jù)實際驗證，憑借著 AI 輔助信號增強技術(shù)，系統(tǒng)的情境感知準(zhǔn)確性可以提升 30%，能夠明顯降低通話掉線率，提升速率、覆蓋和續(xù)航。

結(jié)語

5G 射頻系統(tǒng)的創(chuàng)新黑科技還有很多，例如多載波優(yōu)化、去耦調(diào)諧、多 SIM 卡增強并發(fā)等。這些黑科技全部都是技術(shù)創(chuàng)新的成果。它們凝結(jié)了工程師們的智慧，也為 5G 終端的順利推出奠定了基礎(chǔ)。

如今的 5G 射頻，已不再是基帶的輔助，而是能夠和基帶平起平坐、相輔相成的重要手機組件。

隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷深入，除了手機通信之外，越來越多的 5G 垂直行業(yè)應(yīng)用場景也開始落地開花。5G 終端的形態(tài)將會變得五花八門，更大的考驗將會擺在 5G 射頻前端的面前。

屆時 5G 射頻又會玩出什么新花樣？讓我們拭目以待！