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科普:一文看懂 5G 射频的 “黑科技”

发布时间:2024-10-16浏览:

  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)★■■。

  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。

  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……

  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。

  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◆◆■。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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■★◆★◆。

  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◆◆■。

  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◆◆◆◆。

  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。

  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■◆。

  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■◆■★★■。

  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。

  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)。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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)。

  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。

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  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%◆■◆◆。

  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。

  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。

  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★★◆。

  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◆★★。

  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■★★◆。

  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◆◆★?

  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■◆◆。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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■★★★■。

  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。

  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)。

  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。

  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◆■■。