射頻與移動(dòng)通信速率的聯(lián)系

移動(dòng)通信的發(fā)展一直圍繞著信號(hào)傳輸速率的提升演進(jìn)。2G時(shí)代幾十Kbps的速度只能支持看文本小說，3G時(shí)代幾Mbps的速度已經(jīng)可以逛論壇斗圖了，到了4G時(shí)代幾百M(fèi)bps的高速網(wǎng)絡(luò)讓人們可以隨心所欲的刷抖音，開視頻會(huì)議。而5G時(shí)代，基于VR/AR的元宇宙藍(lán)圖已經(jīng)展開。

為了讓人們能更流暢的上網(wǎng)，射頻通信工作者們可謂是操碎了心。

跟據(jù)香農(nóng)定理，信號(hào)傳輸速率：

其中R為信號(hào)速率，B為信號(hào)帶寬，S/N為信噪比。

考慮到現(xiàn)在的調(diào)制編碼方式一個(gè)碼元可以攜帶多bit信息，MIMO技術(shù)在同一頻段同時(shí)傳輸不同數(shù)據(jù)，因此可以將香農(nóng)定理修正為：

其中m為MIMO通道數(shù)，M為碼元狀態(tài)數(shù)。

從上式不難看出，信號(hào)速率主要跟以下三項(xiàng)有關(guān)：

1.信號(hào)帶寬；

2.信噪比；

3.調(diào)制方式。

信號(hào)帶寬

向高頻大帶寬出擊2G時(shí)代GSM、GPRS、EDGE布局在2GHz以下，只有0.2MHz的帶寬，能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實(shí)在有限。3G時(shí)代的WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000將頻率擴(kuò)展至2GHz以上，已經(jīng)開始支持單載波5MHz帶寬。4G時(shí)代頻率已經(jīng)延伸至2.7GHz，單載波最高達(dá)到20MHz。5G時(shí)代將頻率延伸至5GHz甚至毫米波，直接將單載波帶寬擴(kuò)展到100MHz以上，顯著提高了信號(hào)傳輸速率。

帶寬的增加和高頻的擴(kuò)展，都為射頻前端，特別是射頻PA提出了新的挑戰(zhàn)。PA需要采用新的架構(gòu)和工藝來(lái)支持更高的頻率，更大的帶寬。

物盡其用

Sub 3G的頻段相當(dāng)擁擠，有效帶寬2.2GHz的頻譜內(nèi)分布了50多個(gè)Band，除了B40/41這種高頻，其他頻段因?yàn)?a target="_blank">中心頻率低，帶寬天生較窄。為了在有限的帶寬內(nèi)讓這些頻段盡可能地發(fā)光發(fā)熱，為香農(nóng)定理的第一項(xiàng)做出貢獻(xiàn)，通信工作者們發(fā)明了載波聚合技術(shù)（CA，Carrier Aggregation）。

帶內(nèi)連續(xù)CA，是將較為寬帶的一個(gè)頻段內(nèi)沒被用上的那一段再利用起來(lái)，一起傳輸，相當(dāng)于將帶寬加倍。

帶內(nèi)非連續(xù)CA，與前者相比，兩段載波有一定的頻率間隔，但一般不大。仍然是在同一個(gè)Band內(nèi)操作。

帶間CA，將兩個(gè)不同的頻段同時(shí)傳輸，可以理解為一輛五菱宏光和一輛AE86一起秋名山過彎漂移，傳輸帶寬瞬間飆升。

由于帶間CA需要兩個(gè)頻段同時(shí)工作，所以射頻前端對(duì)天線選擇模塊提出了新的要求。一種方式是采用diplexer分頻器，將一根天線下的兩段頻率通過濾波分成兩路同時(shí)傳輸；另一種則是拆分天線，將兩段頻率分別接不同天線。因此天線選擇開關(guān)也需要相應(yīng)的調(diào)整，由原來(lái)的SPXT改為DPXT或者3PXT。支持帶間CA的發(fā)射模組我們也稱之為Phase 3 TXM。

因?yàn)閮蓚€(gè)PA同時(shí)工作難度較大，因此在上行時(shí)增加帶寬往往采用帶內(nèi)CA的方式。對(duì)于下行，可以靈活應(yīng)用拆分天線、diplexer分頻和開關(guān)雙開，最多可以支持5載波CA，帶寬直接拉滿。

信噪比

帶寬和調(diào)制兩項(xiàng)，系統(tǒng)都已經(jīng)規(guī)定好了，信噪比S/N是通信工作者少有的能通過個(gè)人能力為人民造福的地方。

降低噪聲提升單路信噪比

信號(hào)在傳輸過程中的每一步，都會(huì)增加新的噪聲，不管是經(jīng)過天線連接口、開關(guān)、濾波器、PCB走線，還是經(jīng)過LNA，噪聲系數(shù)NF只增不減。但是接收機(jī)內(nèi)部也存在固有噪聲系數(shù)，一般為2~9dB，如果能將平臺(tái)自帶的噪聲系數(shù)削弱，系統(tǒng)信噪比是不是就能提高呢？因此射頻工作者發(fā)明了外置LNA，即低噪聲放大器。將LNA靠近天線放置可以有效抑制LNA后端的插損和噪聲系數(shù)，相比不加時(shí)，系統(tǒng)NF少下降約2dB，等同于將系統(tǒng)信噪比提升2dB。外置LNA對(duì)提升接收靈敏度功效顯著，4G/5G手機(jī)上現(xiàn)在基本是標(biāo)配。

增加分集增強(qiáng)信號(hào)

3G以前的時(shí)代，信號(hào)都是一發(fā)一收，不求能上網(wǎng)，只求可以打電話。但是到了4G時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層出不窮，人們也需要除了打電話之外的其他精神娛樂，對(duì)網(wǎng)速的需求非常迫切，因此誕生了接收分集DRx（Diversity Receive），傳輸和主接收PRx（Primary Receive）一樣的數(shù)據(jù)，信號(hào)加倍而噪聲因?yàn)椴幌喔杀徊糠窒?，增?qiáng)了信噪比。

后來(lái)短視頻和網(wǎng)劇的興起對(duì)流量又提出了新的要求，通信工作者們提出MIMO技術(shù)，多條路徑一起傳輸不同數(shù)據(jù)，從早期的2*2 MIMO，到現(xiàn)在的4*4 MIMO，無(wú)需增加帶寬即可極大的提升信號(hào)傳輸速率。當(dāng)然MIMO也對(duì)接收器件的數(shù)量和隔離度提出了新的要求。

調(diào)制方式

早期的BPSK調(diào)制一個(gè)碼元符號(hào)只能攜帶2bit數(shù)據(jù)，后來(lái)出現(xiàn)QPSK，一個(gè)碼元符號(hào)可以攜帶4bit數(shù)據(jù)，再到后來(lái)的256QAM，一個(gè)碼元符號(hào)可以攜帶8bit數(shù)據(jù)。在前方幫忙趟坑開路的Wi-Fi老大哥已經(jīng)商用1024QAM了，一個(gè)碼元符號(hào)攜帶10bit數(shù)據(jù)，接下來(lái)的Wi-Fi 7據(jù)說要到4096QAM，一個(gè)碼元符號(hào)攜帶12bit信息。等Wi-Fi支持4096QAM調(diào)制的時(shí)候，咱們移動(dòng)通信也會(huì)大規(guī)模支持1024QAM，到時(shí)候網(wǎng)速又可以再上一個(gè)臺(tái)階。

物理通道速率計(jì)算

前面講完理論基礎(chǔ)，定性之后咱們來(lái)定量看一下物理通道的理論速率極限。

協(xié)議分配的帶寬兩側(cè)都會(huì)留好保護(hù)間隔，因此可以傳輸數(shù)據(jù)的帶寬要打個(gè)折扣，一般射頻通信工程師會(huì)按RB計(jì)算實(shí)際有效數(shù)據(jù)帶寬。LTE的1RB= 15KHz * 12 = 180KHz，滿帶寬100 RB則有18MHz有效帶寬。而Sub 6G NR的子載波間隔可以到30KHz，因此1RB=30KHz*12=360KHz，滿帶寬有273 RB即98.28MHz有效帶寬。

按香農(nóng)公式理論計(jì)算，LTE 20MHz帶寬下64QAM單路傳輸信道理論速率極限為：

如果有看官對(duì)此計(jì)算有疑慮，咱們不妨從碼元傳輸角度再來(lái)計(jì)算一遍。

1ms的時(shí)長(zhǎng)可以發(fā)送2個(gè)slot，一個(gè)slot滿帶寬發(fā)100RB，一個(gè)RB由12個(gè)子載波、7個(gè)碼元符號(hào)組成，一個(gè)碼元符號(hào)64QAM下攜帶6bit信息，因此LTE 20MHz帶寬下64QAM單路傳輸理論速率極限為：

以上計(jì)算結(jié)果與香農(nóng)公式理論計(jì)算結(jié)果108Mbps相差7.2Mbps，我說什么來(lái)著，你小子的算法果然有問題！

橋豆麻袋！實(shí)際編碼的時(shí)候碼元符號(hào)最前面會(huì)加上循環(huán)前綴（CP，Cyclic Prefix）。在OFDM符號(hào)前面加上CP可以消除符號(hào)間的干擾，但這個(gè)并不攜帶我們要傳的數(shù)據(jù)，因此真正傳輸?shù)臄?shù)據(jù)還要去掉CP占用的時(shí)間。每個(gè)symbol前面都有CP，除第一個(gè)CP占160個(gè)采樣周期，其他6個(gè)CP只有144個(gè)采樣周期，而一個(gè)OFDM符號(hào)有2048個(gè)采樣周期，因此CP在時(shí)隙中占比為：

這個(gè)就是物理信道中被“浪費(fèi)”的帶寬。

我們?cè)賹搭l域計(jì)算的結(jié)果，去掉時(shí)域中被CP占據(jù)“浪費(fèi)”的部分，108*14/15=100.8（Mbps） 。

與香農(nóng)公式理論計(jì)算完美吻合！

由于傳輸?shù)姆?hào)中，還有大量的控制信息，不能用來(lái)傳數(shù)據(jù)。這些資源開銷在協(xié)議規(guī)定為5G下行0.14，上行0.08，4G上下行均為0.2177。此外256QAM調(diào)制最大碼率為948/1024≈0.92578。

因此4G下行有效傳輸數(shù)據(jù)比例為：

（1-0.2177）*0.92578=72.4%

5G下行有效傳輸數(shù)據(jù)比例為：

（1-0.14）*0.92578=79.6%

發(fā)到用戶手上的真實(shí)數(shù)據(jù)還需要乘上這個(gè)系數(shù)，即R’=R*79.6%。

手機(jī)真正使用時(shí)的網(wǎng)速，業(yè)內(nèi)更專業(yè)地稱之為吞吐率，受多種因素影響。

在實(shí)際使用中，想必大家經(jīng)常遇到5G手機(jī)有時(shí)候刷劇也很卡，緩沖半天；4G手機(jī)有時(shí)候反而網(wǎng)速飛快，APP秒下。一方面是因?yàn)榛痉峙涞膸捪拗?，另一方面則是因?yàn)楦叨?G手機(jī)配置很高，網(wǎng)速一點(diǎn)都不輸5G。

拿一臺(tái)支持5載波CA的高端4G手機(jī)為例，理想狀態(tài)下，下行256QAM調(diào)制，4*4 MIMO，5CC CA聚合為100MHz帶寬。此時(shí)物理信道理論極限數(shù)據(jù)率：

一臺(tái)普通的4G手機(jī)，正常情況下行64QAM調(diào)制，2*2 MIMO，10MHz帶寬。此時(shí)物理信道理論極限數(shù)據(jù)率：

速度也是相當(dāng)?shù)目臁?/p>

而5G手機(jī)正常使用時(shí)，下行256QAM調(diào)制，4*4 MIMO，10MHz帶寬。此時(shí)物理信道理論極限數(shù)據(jù)率：

和4G手機(jī)不相上下。

而當(dāng)5G buff疊滿時(shí)，CA聚合出200MHz帶寬，4*4MIMO，256QAM調(diào)制。此時(shí)物理信道理論極限數(shù)據(jù)率：

光速下載。

當(dāng)然這些都是基于沒人跟你搶基站用的假設(shè)，實(shí)際使用時(shí)，每個(gè)用戶被分配到的帶寬相當(dāng)有限。比如大型商場(chǎng)里人滿為患，一個(gè)用戶被分配到的帶寬可能只有1.4MHz，調(diào)制降到QPSK，這時(shí)網(wǎng)速只有1Mbps，你要是玩韓信一個(gè)后跳直接就閃進(jìn)東皇的大。

下圖為小米11國(guó)內(nèi)版手機(jī)分別采用4G與5G連接測(cè)試圖示，可以看到，4G連接時(shí)下載速率為89.47 Mbps，而5G連接時(shí)下載速率為236.16 Mbps，與前文計(jì)算基本一致。用戶使用時(shí)被分配的帶寬一樣的情況下，5G一般調(diào)制階數(shù)更高，MIMO路數(shù)更多，雖無(wú)法體現(xiàn)數(shù)量級(jí)的差距，但還是比同等情況下的4G速率更快。

總 結(jié)

咱們每天把玩的平平無(wú)奇的手機(jī)，匯聚了無(wú)數(shù)射頻通信工作者的智慧結(jié)晶，為了將網(wǎng)速做快，方便大家追劇刷抖音，手機(jī)上充分整合利用了各種CA、MIMO、高階調(diào)制，層層buff疊在一起才有了現(xiàn)在高達(dá)幾個(gè)Gbps的速度。未來(lái)射頻仍將引領(lǐng)移動(dòng)通信向更高更快更強(qiáng)演進(jìn)。

發(fā)射機(jī)的EVM通常在10%以內(nèi)，對(duì)應(yīng)的SNR在15~30dB，而計(jì)算信道理論速率極限的信噪比卻為0dB，其間接收和發(fā)射信噪比的差異歡迎大家留言討論。

來(lái)源： 慧智微電子