一篇博文带你了解5G射频技术：其复杂性令人望而生畏，堪比基带技术。

手机作为移动互联网时代的标配，已经融入我们每个人的生活中。有了它，我们可以聊天、购物、随心所欲地看电视节目，享受美好的生活。

由于手机的重要性，人们非常关注相关技术的发展。每当有新产品发布，媒体都会进行大量报道，社交网络上也会引发热烈的讨论。

However, people's attention to mobile phones often focuses on the CPU, GPU, baseband, screen, and camera. There is such a special component that is extremely important for mobile phones, but few people pay attention to it.

是哪一部分呢？没错，它就是我们今天文章的主角——射频。

▉什么是射频？

Radio frequency, the English name is Radio Frequency, which is the familiar RF. Literally speaking, Radio Frequency means radio frequency. Radio frequency signals specifically refer to radio electromagnetic waves with a frequency range of 300KHz~300GHz.

众所周知，手机之所以能够与基站通信，是因为它们之间能够互相发送和接收无线电电磁波。

手机中专门负责发送和接收无线电电磁波的一系列电路、芯片、组件等统称为射频系统，或简称“射频”（下文同上）。

射频和基带是移动电话通信功能的基石。如果我们把移动电话与外界的通信看作一项“快递服务”，那么基带的职责就是对数据进行“打包/解包”，而射频的职责则是通过指定的射频频段来发送/接收这些“数据包”。

原理图：左侧为基带，右侧为射频。

射频电路长什么样？下图是某品牌手机主电路板的正反面布局图。

（图片来自ABI Research）

图中黄色圆圈标记的部分都属于射频部分。可以看出，射频组件在手机结构中占据了很大的比例。

从架构角度来看，完整的射频系统包括三个部分：射频收发器、射频前端和天线。射频前端还包括多种组件，例如功率放大器、包络跟踪器、低噪声放大器、滤波器、天线开关和天线调谐器。

射频架构

射频前端各组件的功能并不复杂。例如，放大器用于放大信号，使信号能够传输得更远；滤波器用于去除杂波，使信号更加“纯净”；天线开关用于控制天线的开合；天线调谐器的主要功能是“调整”天线以获得最佳的收发效果……

大量的射频组件相互协作，共同完成“最后一步”，传输由基带“biu~biu~biu~”打包的数据。

如果射频设计不合理，元器件性能落后，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。具体表现为无线信号差、通信距离短、网络速度慢等。

换句话说，如果手机的射频性能不好，就如同汽车动力不足一样，无论其他功能多么炫酷，用户都不会接受。

因此，手机制造商在研发设计手机时，通常会在射频方面投入大量精力，反复推敲、测试和验证，才敢推出最终产品。

▉5G射频挑战

今天，我们昂首迈入5G时代。与传统的4G相比，5G的射频系统有哪些变化？

The answer is yes. Not only is there a change, it is a sea change.

与4G相比，5G的性能指标有了显著提升。5G的增强型移动宽带（eMBB）场景可以将手机速度提升至千兆甚至万兆级别，分别是早期LTE速率（100Mbps）的10倍和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的频段数量都翻了一番。在4G早期，频段组合还不到20种。相比之下，5G拥有超过10,000种频段组合这种复杂性令人恐惧。

同时，为了确保用户愿意升级，5G手机的厚度和重量不能增加，功耗不能增加，待机时间也不能减少。

如果你是一家手机制造商，你会疯掉吗？

因此，5G手机的无线电频率必须进行革新，大力创造奇迹和创新。

如何解决射频系统的设计难题？高通提出了一种宏观思路，直接提供了“完整的调制解调器和射频系统”。通俗地讲，这意味着基带、射频收发器、射频前端、天线模块、软件框架等全部组件都已完成，为厂商提供了一套完整的解决方案。

换句话说，5G手机等终端组件的设计理念必须摒弃以往“东购马匹，西购鞍具，南购缰绳，北购鞭子”的思维模式，转而采用“封装设计”的集成系统级解决方案。

例如，过去A厂生产基带，B厂生产射频，C厂生产天线，然后D厂负责将它们集成连接起来。而现在，实力雄厚的厂商直接完成基带、射频和天线等元件的封装和设计，然后交给手机厂商，以便快速投入使用。

系统级集成是 5G 基带和射频复杂性大幅增加的必然结果。

这就像一列火车。过去，绿色皮革车厢速度较慢，车厢和车头可以分开设计制造，然后再一起运行。然而，在高铁时代，速度指标翻了一番。如果继续分开设计制造，车厢和机车就无法进行深度协调。不仅难以达到速度指标，还可能出现安全问题。

因此，高速铁路动车组通常采用统一的设计和制造方式。

换句话说，面对上述严峻的5G指标，必须从系统级集成的角度对基带和射频进行整体设计。这样才能实现软硬件的完美协同，从而获得最佳性能（吞吐量、覆盖范围等）。

除了达到各项指标外，集成式设计还有助于缩小系统最终尺寸，减少手机占用空间。在系统功耗和散热控制方面，集成式设计也具有明显的优势。

最后但同样重要的是，提供系统级集成解决方案可以降低手机制造商的设计难度，使他们能够更快地推出产品并抢占市场。

▉5G射频黑科技

Let’s take a closer look at the interesting black technologies of system-level integrated 5G radio.

首先，第一项黑色技术是宽带信封跟踪。

我之前介绍射频架构时，其中包含一个功率跟踪器。功率跟踪器与功率放大器配合使用。

The power amplifier is the core component of radio frequency. It is like a speaker, turning small sounds (signals) into loud sounds (signals).

如果你想吹响号角，就必须努力（提供动力）。动力追踪器的作用是控制吹号角的强度（功率）。

传统的吹气方法是平均功率跟踪法（APT）。在一定时间内，吹气力保持恒定。

And wideband envelope tracking (ET) technology allows precise control of power. In other words, the baseband (modem) can control the envelope tracker in the radio frequency according to changes in the signal, thereby accurately controlling the transmission power of the wireless signal.

包络跟踪的功耗浪费远低于传统平均功率跟踪。

(Image from Qualcomm)

这样可以大大节省体力（能量），降低射频功率消耗，并增加手机的待机时间。

精确的发射功率控制有助于移动电话获得最佳信号传输效率，从而获得更好的信道质量。在移动电话与基站的“双向通信”过程中，当移动电话获得更好的信道质量时，基站可以支持移动电话实现更好的上行和下行业务，例如支持2×2 MIMO，从而使网络速度更加流畅。此外，更好的信道质量也为基站侧向移动电话分配更高阶的调制方式（例如256QAM）创造了条件，这可以提高移动电话的吞吐量，并支持更快、更好的数据传输业务。

高通此前发布的几代骁龙5G调制解调器和射频系统集成宽带包络跟踪器均已采用上述技术。其最新款宽带包络跟踪器QET7100的能效比目前市场上其他厂商提供的最先进产品提高了30%。

我们推出的第二项黑色技术是人工智能辅助信号增强技术。

这项技术是今年2月刚刚发布的骁龙X65 5G调制解调器和射频系统中最新推出的技术。这也是业内首次将热门人工智能技术引入手机射频系统以增强信号。

人工智能辅助信号增强技术的核心是将人工智能技术引入天线调谐系统。天线调谐有两种方法，一种是阻抗匹配，另一种是孔径调谐。

我们先来看阻抗匹配。

所谓阻抗匹配可以理解为一种“水管”工程。

射频系统组件与天线之间的连接就像两根水管之间的连接。当阻抗一致时，位置完美对应。此时，水流量最大，信号效率最高。如果组件的阻抗发生变化，水管就会弯曲，水流量变小，部分水流就会被浪费掉。

阻抗变化的原因有很多，例如手部触摸、插入数据线、安装手机壳等等。甚至不同的握持姿势（左手、右手、单手、双手）也会带来不同的阻抗。

传统的阻抗匹配方法是在实验室中测试各种阻抗变化的原因，找出天线的特性值，然后通过调制解调器控制射频分量来调整阻抗，使接收水管与供水管尽可能地对齐。

The AI-assisted signal enhancement technology introduces AI algorithms to conduct big data analysis and machine learning on the antenna characteristic values ​​due to various impedance changes to achieve intelligent adjustment of impedance and achieve the most perfect matching effect.

直白地说，这有点像在供水管和受水管之间安装一个接水管，以尽可能防止水流浪费。

AI辅助信号增强就好比射频天线之间的对接软管

孔径调谐相对简单，只需调整天线的电长度即可。

从放射学的角度来看，天线的理想长度应该是波长的四分之一。如今的手机由于全网通、双卡双待等原因，其移动通信系统的工作频率会动态变化。例如，有时工作在2.6GHz，有时则工作在3.5GHz。

If the operating frequency changes, it means that the optimal wavelength also changes. Therefore, it is necessary to tune the aperture of the antenna, adjust the length of the antenna, and lengthen the wave peak to achieve the best effect.

总而言之，基于阻抗匹配和孔径调谐的天线调谐技术的主要功能是克服外部环境对天线信号的影响，动态调整信号，提高用户体验。

根据实际验证，借助人工智能辅助信号增强技术，该系统的态势感知准确率可提高 30%，从而显著降低通话掉线率，提高通话速度、覆盖范围和电池续航时间。

▉结语

5G射频系统拥有众多创新性的黑技术，例如多载波优化、解耦调谐、多SIM卡增强并发等。这些黑技术都是技术创新的成果，凝聚了工程师们的智慧，为5G终端的顺利推出奠定了基础。

如今的 5G 无线电频率不再是基带的辅助，而是移动电话的重要组件，可以与基带平起平坐，相互补充。

随着5G网络建设的不断深入，除了移动通信之外，越来越多的5G垂直行业应用场景开始涌现。5G终端的形式将更加多样化，5G射频前端也将面临更大的考验。

届时5G无线电频率又会带来哪些新花样呢？让我们拭目以待！

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