为了更流畅地刷抖音，射频工程师都做了什么
来源:射频学堂发布时间:2022-12-312245浏览
询问 AI移动通信的发展一直围绕着信号传输速率的提升演进。2G时代几十Kbps的速度只能支持看文本小说，3G时代几Mbps的速度已经可以逛论坛斗图了，到了4G时代几百Mbps的高速网络让人们可以随心所欲的刷抖音，开视频会议。而5G时代，基于VR/AR的元宇宙蓝图已经展开。
为了让人们能更流畅的上网，射频通信工作者们可谓是操碎了心。
跟据香农定理，信号传输速率：
其中R为信号速率，B为信号带宽，S/N为信噪比。
考虑到现在的调制编码方式一个码元可以携带多bit信息，MIMO技术在同一频段同时传输不同数据，因此可以将香农定理修正为：
其中m为MIMO通道数，M为码元状态数。
从上式不难看出，信号速率主要跟以下三项有关：
信号带宽；
信噪比；
调制方式。
信号带宽
向高频大带宽出击
2G时代GSM、GPRS、EDGE布局在2GHz以下，只有0.2MHz的带宽，能传输的数据实在有限。3G时代的WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000将频率扩展至2GHz以上，已经开始支持单载波5MHz带宽。4G时代频率已经延伸至2.7GHz，单载波最高达到20MHz。5G时代将频率延伸至5GHz甚至毫米波，直接将单载波带宽扩展到100MHz以上，显著提高了信号传输速率。
带宽的增加和高频的扩展，都为射频前端，特别是射频PA提出了新的挑战。PA需要采用新的架构和工艺来支持更高的频率，更大的带宽。
物尽其用
Sub 3G的频段相当拥挤，有效带宽2.2GHz的频谱内分布了50多个Band，除了B40/41这种高频，其他频段因为中心频率低，带宽天生较窄。为了在有限的带宽内让这些频段尽可能地发光发热，为香农定理的第一项做出贡献，通信工作者们发明了载波聚合技术（CA，Carrier Aggregation）。
带内连续CA，是将较为宽带的一个频段内没被用上的那一段再利用起来，一起传输，相当于将带宽加倍。
带内非连续CA，与前者相比，两段载波有一定的频率间隔，但一般不大。仍然是在同一个Band内操作。
带间CA，将两个不同的频段同时传输，可以理解为一辆五菱宏光和一辆AE86一起秋名山过弯漂移，传输带宽瞬间飙升。
由于带间CA需要两个频段同时工作，所以射频前端对天线选择模块提出了新的要求。一种方式是采用diplexer分频器，将一根天线下的两段频率通过滤波分成两路同时传输；另一种则是拆分天线，将两段频率分别接不同天线。因此天线选择开关也需要相应的调整，由原来的SPXT改为DPXT或者3PXT。支持带间CA的发射模组我们也称之为Phase 3 TXM。
慧智微S2592x Phase3 TXM
因为两个PA同时工作难度较大，因此在上行时增加带宽往往采用带内CA的方式。对于下行，可以灵活应用拆分天线、diplexer分频和开关双开，最多可以支持5载波CA，带宽直接拉满。
信噪比
带宽和调制两项，系统都已经规定好了，信噪比S/N是通信工作者少有的能通过个人能力为人民造福的地方。
降低噪声提升单路信噪比
信号在传输过程中的每一步，都会增加新的噪声，不管是经过天线连接口、开关、滤波器、PCB走线，还是经过LNA，噪声系数NF只增不减。但是接收机内部也存在固有噪声系数，一般为2~9dB，如果能将平台自带的噪声系数削弱，系统信噪比是不是就能提高呢？因此射频工作者发明了外置LNA，即低噪声放大器。将LNA靠近天线放置可以有效抑制LNA后端的插损和噪声系数，相比不加时，系统NF少下降约2dB，等同于将系统信噪比提升2dB。外置LNA对提升接收灵敏度功效显著，4G/5G手机上现在基本是标配。
增加分集增强信号
3G以前的时代，信号都是一发一收，不求能上网，只求可以打电话。但是到了4G时代，互联网应用层出不穷，人们也需要除了打电话之外的其他精神娱乐，对网速的需求非常迫切，因此诞生了接收分集DRx（Diversity Receive），传输和主接收PRx（Primary Receive）一样的数据，信号加倍而噪声因为不相干被部分消除，增强了信噪比。
后来短视频和网剧的兴起对流量又提出了新的要求，通信工作者们提出MIMO技术，多条路径一起传输不同数据，从早期的2*2 MIMO，到现在的4*4 MIMO，无需增加带宽即可极大的提升信号传输速率。当然MIMO也对接收器件的数量和隔离度提出了新的要求。
慧智微S552XX+S1572X系列Sub 6G模组调制方式
早期的BPSK调制一个码元符号只能携带1bit数据，后来出现QPSK，一个码元符号可以携带2bit数据，再到后来的256QAM，一个码元符号可以携带8bit数据。在前方帮忙趟坑开路的Wi-Fi老大哥已经商用1024QAM了，一个码元符号携带10bit数据，接下来的Wi-Fi 7据说要到4096QAM，一个码元符号携带12bit信息。等Wi-Fi支持4096QAM调制的时候，咱们移动通信也会大规模支持1024QAM，到时候网速又可以再上一个台阶。
物理通道速率计算
前面讲完理论基础，定性之后咱们来定量看一下物理通道的理论速率极限。
协议分配的带宽两侧都会留好保护间隔，因此可以传输数据的带宽要打个折扣，一般射频通信工程师会按RB计算实际有效数据带宽。LTE的1RB= 15KHz * 12 = 180KHz，满带宽100 RB则有18MHz有效带宽。而Sub 6G NR的子载波间隔可以到30KHz，因此1RB=30KHz*12=360KHz，满带宽有273 RB即98.28MHz有效带宽。
按香农公式理论计算，LTE 20MHz带宽下64QAM单路传输信道理论速率极限为：
如果有看官对此计算有疑虑，咱们不妨从码元传输角度再来计算一遍。
RB结构示意图1ms的时长可以发送2个slot，一个slot满带宽发100RB，一个RB由12个子载波、7个码元符号组成，一个码元符号64QAM下携带6bit信息，因此LTE 20MHz带宽下64QAM单路传输理论速率极限为：
桥豆麻袋！实际编码的时候码元符号最前面会加上循环前缀（CP，Cyclic Prefix）。在OFDM符号前面加上CP可以消除符号间的干扰，但这个并不携带我们要传的数据，因此真正传输的数据还要去掉CP占用的时间。每个symbol前面都有CP，除第一个CP占160个采样周期，其他6个CP只有144个采样周期，而一个OFDM符号有2048个采样周期，因此CP在时隙中占比为：
这个就是物理信道中被“浪费”的带宽。
时域子帧结构图我们再将按频域计算的结果，去掉时域中被CP占据“浪费”的部分，108*14/15=100.8(Mbps) 。
与香农公式理论计算完美吻合！
由于传输的符号中，还有大量的控制信息，不能用来传数据。这些资源开销在协议规定为5G下行0.14，上行0.08，4G上下行均为0.2177。此外256QAM调制最大码率为948/1024≈0.92578。
因此4G下行有效传输数据比例为：
（1-0.2177）*0.92578=72.4%
5G下行有效传输数据比例为：
（1-0.14）*0.92578=79.6%
发到用户手上的真实数据还需要乘上这个系数，即R’=R*79.6%。
手机真正使用时的网速，业内更专业地称之为吞吐率，受多种因素影响。
在实际使用中，想必大家经常遇到5G手机有时候刷剧也很卡，缓冲半天；4G手机有时候反而网速飞快，APP秒下。一方面是因为基站分配的带宽限制，另一方面则是因为高端4G手机配置很高，网速一点都不输5G。
拿一台支持5载波CA的高端4G手机为例，理想状态下，下行256QAM调制，4*4 MIMO，5CC CA聚合为100MHz带宽。此时物理信道理论极限数据率：
一台普通的4G手机，正常情况下行64QAM调制，2*2 MIMO，10MHz带宽。此时物理信道理论极限数据率：
速度也是相当的快。
而5G手机正常使用时，下行256QAM调制，4*4 MIMO，10MHz带宽。此时物理信道理论极限数据率：
和4G手机不相上下。
而当5G buff叠满时，CA聚合出200MHz带宽，4*4MIMO，256QAM调制。此时物理信道理论极限数据率：
光速下载。
当然这些都是基于没人跟你抢基站用的假设，实际使用时，每个用户被分配到的带宽相当有限。比如大型商场里人满为患，一个用户被分配到的带宽可能只有1.4MHz，调制降到QPSK，这时网速只有1Mbps，你要是玩韩信一个后跳直接就闪进东皇的大。
下图为小米11国内版手机分别采用4G与5G连接测试图示，可以看到，4G连接时下载速率为89.47 Mbps，而5G连接时下载速率为236.16 Mbps，与前文计算基本一致。用户使用时被分配的带宽一样的情况下，5G一般调制阶数更高，MIMO路数更多，虽无法体现数量级的差距，但还是比同等情况下的4G速率更快。
实测4G（左）与5G（右）下载速率
总 结
咱们每天把玩的平平无奇的手机，汇聚了无数射频通信工作者的智慧结晶，为了将网速做快，方便大家追剧刷抖音，手机上充分整合利用了各种CA、MIMO、高阶调制，层层buff叠在一起才有了现在高达几个Gbps的速度。未来射频仍将引领移动通信向更高更快更强演进。
发射机的EVM通常在10%以内，对应的SNR在15~30dB，而计算信道理论速率极限的信噪比却为0dB，其间接收和发射信噪比的差异欢迎大家留言讨论。
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