科普：一文看懂 5G 射频的 “黑科技”

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。然而，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。什么是射频射频，英文名是RadioFrequency，也就是大家熟悉的RF。从字面上来说，RadioFrequency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。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。▲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。（▲图片来自ABIResearch）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。▲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……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，“biu~biu~biu~”地发射出去。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。5G射频的挑战如今，我们昂首迈入了5G时代。相比传统4G，5G的射频系统有变化吗？答案是肯定的。不仅有变化，而且是巨变。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（tāo）级（qián），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。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。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）。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。▲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2×2MIMO，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X655G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。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。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。▲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。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。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！