一篇部落格文章帶你了解5G射頻技術：其複雜性令人望而生畏，堪比基頻技術。

手機作為行動網路時代的標配，已經融入我們每個人的生活中。有了它，我們可以聊天、購物、隨心所欲地看電視節目，享受美好的生活。

由於手機的重要性，人們非常關注相關技術的發展。每當有新產品發布，媒體都會進行大量報道，社群網路上也會引發熱烈的討論。

然而，人們對手機的關注點往往集中在CPU、GPU、基頻、螢幕和相機上。其實還有一種對手機至關重要的特殊組件，卻很少人注意到它。

是哪一部分呢？沒錯，它就是我們今天文章的主角──射頻。

▉什麼是射頻

射頻，英文名稱為Radio Frequency，簡稱RF。顧名思義，射頻就是無線電頻率。射頻訊號特別指頻率範圍在300kHz~300GHz之間的無線電電磁波。

眾所周知，手機之所以能夠與基地台通信，是因為它們之間能夠互相發送和接收無線電電磁波。

手機中專門負責發送和接收無線電電磁波的一系列電路、晶片、組件等統稱為射頻系統，或簡稱「射頻」（下文同上）。

Radio frequency and baseband are the cornerstones of mobile phone communication functions. If we regard the communication between the mobile phone and the outside world as an "express service", then the baseband's responsibility is to "package/unpack" the data. The responsibility of radio frequency is to transmit/receive "packages" through the designated radio frequency band.

原理圖：左側為基帶，右側為射頻。

What does radio frequency look like? The picture below is the front and back layout of the main circuit board of a certain brand of mobile phone.

（圖來自ABI Research）

圖中黃色圓圈標示的部分都屬於射頻部分。可以看出，射頻組件在手機結構中佔了很大的比例。

從架構角度來看，完整的射頻系統包括三個部分：射頻收發器、射頻前端和天線。射頻前端還包括多種組件，例如功率放大器、包絡追蹤器、低雜訊放大器、濾波器、天線開關和天線調諧器。

射頻架構

射頻前端各組件的功能並不複雜。例如，放大器用於放大訊號，使訊號能夠傳輸得更遠；濾波器用於去除雜波，使訊號更加「純淨」；天線開關用於控制天線的開合；天線調諧器的主要功能是「調整」天線以獲得最佳的收發效果…

A large number of radio frequency components cooperate with each other and work together to complete the "final step" and transmit the data packaged by the baseband "biu~biu~biu~".

如果射頻設計不合理，元件效能落後，將直接影響手機的無線訊號收發能力，進而影響手機的通訊能力。具體表現為無線訊號差、通訊距離短、網路速度慢等。

換句話說，如果手機的射頻性能不好，就如同汽車動力不足一樣，無論其他功能多麼酷炫，使用者都不會接受。

因此，手機製造商在研發設計手機時，通常會在射頻方面投入大量精力，反覆推敲、測試和驗證，才敢推出最終產品。

▉5G射頻挑戰

今天，我們昂首邁入5G時代。與傳統的4G相比，5G的射頻系統有哪些變化？

答案是肯定的。不僅發生了變化，而且是翻天覆地的變化。

與4G相比，5G的性能指標有了顯著提升。 5G的增強型行動寬頻（eMBB）場景可以將手機速度提升至千兆甚至萬兆級別，分別是早期LTE速率（100Mbps）的10倍和100倍。

2G/3G/4G，加上5G，加上MIMO（多天線技術），加上雙卡雙待，手機的天線數量和支援的頻段數量都翻了一番。在4G早期，頻段組合不到20種。相比之下，5G擁有超過10,000種頻段組合這種複雜性令人恐懼。

同時，為了確保用戶願意升級，5G手機的厚度和重量不能增加，耗電量也不能增加，待機時間也不能減少。

如果你是手機製造商，你會瘋掉嗎？

因此，5G手機的無線電頻率必須進行革新，大力創造奇蹟和創新。

如何解決射頻系統的設計難題？高通提出了一種宏觀思路，直接提供了「完整的調變解調器和射頻系統」。通俗地講，這意味著基頻收發器、射頻前端、天線模組、軟體框架等全部組件都已完成，為廠商提供了一套完整的解決方案。

換句話說，5G手機等終端組件的設計理念必須摒棄以往「東購馬匹，西購鞍具，南購韁繩，北購鞭子」的思維模式，轉而採用「封裝設計」的整合系統級解決方案。

例如，過去A廠生產基帶，B廠生產射頻，C廠生產天線，然後D廠負責將它們整合連接起來。而現在，實力雄厚的廠商直接完成基頻、射頻和天線等元件的封裝和設計，然後交給手機廠商，以便快速投入使用。

系統級整合是 5G 基頻和射頻複雜度大幅增加的必然結果。

這就像一列火車。過去，綠色皮革車廂速度較慢，車廂和車頭可以分開設計製造，然後再一起運行。然而，在高鐵時代，速度指標翻了一番。如果繼續分開設計製造，車廂和機車就無法進行深度協調。不僅難以達到速度指標，還可能出現安全問題。

因此，高速鐵路動車組通常採用統一的設計和製造方式。

換句話說，面對上述嚴峻的5G指標，必須從系統級整合的角度對基頻和射頻進行整體設計。這樣才能實現軟硬體的完美協同，從而獲得最佳效能（吞吐量、覆蓋範圍等）。

除了達到各項指標外，整合式設計還有助於縮小系統最終尺寸，減少手機佔用空間。在系統功耗和散熱控制方面，整合式設計也具有明顯的優勢。

最後但同樣重要的是，提供系統級整合解決方案可以降低手機製造商的設計難度，使他們能夠更快地推出產品並搶佔市場。

▉5G射頻黑科技

讓我們仔細看看系統級整合 5G 無線電中那些有趣的「黑科技」。

首先，第一項黑色技術是寬頻信封追蹤。

我之前介紹射頻架構時，其中包含一個功率追蹤器。功率追蹤器與功率放大器配合使用。

功率放大器是射頻的核心部件。它就像揚聲器一樣，將微弱的聲音（訊號）放大成響亮的聲音（訊號）。

如果你想吹響號角，就必須努力（提供動力）。動力追蹤器的作用是控制吹號角的強度（功率）。

傳統的吹氣方法是平均功率追蹤法（APT）。在一定時間內，吹氣力保持恆定。

寬頻包絡追蹤（ET）技術能夠實現對功率的精確控制。換句話說，基頻（數據機）可以根據訊號的變化控制射頻中的包絡追蹤器，從而精確控制無線訊號的發射功率。

包絡追蹤的功耗浪費遠低於傳統平均功率追蹤。

（圖片來自高通公司）

這樣可以大幅節省體力（能量），降低射頻功率消耗，並增加手機的待機時間。

精確的發射功率控制有助於行動電話獲得最佳訊號傳輸效率，從而獲得更好的通道品質。在行動電話與基地台的「雙向通訊」過程中，當行動電話獲得更好的頻道品質時，基地台可以支援行動電話實現更好的上行和下行業務，例如支援2×2 MIMO，從而使網路速度更加流暢。此外，更好的頻道品質也為基地台側向行動電話分配更高階的調變方式（例如256QAM）創造了條件，這可以提高行動電話的吞吐量，並支援更快、更好的資料傳輸業務。

高通先前發布的幾代驍龍5G調變解調器和射頻系統整合寬頻包絡追蹤器均已採用上述技術。其最新寬頻包絡追蹤器QET7100的能源效率比目前市場上其他廠商提供的最先進產品提高了30%。

我們推出的第二項黑色技術是人工智慧輔助訊號增強技術。

This technology is the latest new technology released in the Snapdragon X65 5G modem and radio frequency system that was just launched in February. It is also the first time in the industry that hot AI technology has been introduced into the mobile phone radio frequency system to enhance the signal.

人工智慧輔助訊號增強技術的核心是將人工智慧技術引入天線調諧系統。天線調諧有兩種方法，一種是阻抗匹配，另一種是孔徑調諧。

我們先來看看阻抗匹配。

所謂阻抗匹配可以理解為一種「水管」工程。

射頻系統組件與天線之間的連接就像兩根水管之間的連接。當阻抗一致時，位置完美對應。此時，水流量最大，訊號效率最高。如果組件的阻抗發生變化，水管就會彎曲，水流量變小，部分水流就會被浪費掉。

阻抗變化的原因有很多，例如手部觸摸、插入數據線、安裝手機殼等等。甚至不同的握持姿勢（左手、右手、單手、雙手）也會帶來不同的阻抗。

傳統的阻抗匹配方法是在實驗室中測試各種阻抗變化的原因，找出天線的特性值，然後透過數據機控制射頻分量來調整阻抗，使接收水管與供水管盡可能對齊。

AI輔助訊號增強技術引入AI演算法，將天線特性值因各種阻抗變化而產生的大數據分析與機器學習進行分析，進而達到阻抗的智慧調節，達到最佳匹配效果。

To put it bluntly, it is a bit like installing a butt hose between the water supply pipe and the water receiving pipe to prevent the water flow from being wasted as much as possible.

AI輔助訊號增強就好比射頻天線之間的對接軟管

孔徑調諧相對簡單，只需調整天線的電長度即可。

從放射學的角度來看，天線的理想長度應該是波長的四分之一。現今的手機由於全網通、雙卡雙待等原因，其行動通訊系統的工作頻率會動態變化。例如，有時工作在2.6GHz，有時工作在3.5GHz。

如果工作頻率發生變化，則最佳波長也會改變。因此，需要調整天線孔徑、調整天線長度並延長波峰，以達到最佳效果。

總而言之，基於阻抗匹配和孔徑調諧的天線調諧技術的主要功能是克服外部環境對天線訊號的影響，​​動態調整訊號，提高使用者體驗。

根據實際驗證，借助人工智慧輔助訊號增強技術，該系統的態勢感知準確率可提高 30%，從而顯著降低通話斷線率，提高通話速度、覆蓋範圍和電池續航時間。

▉結語

5G射頻系統擁有眾多創新性的黑色技術，例如多載波優化、解耦調諧、多SIM卡增強並發等。這些黑技術都是技術創新的成果，凝聚了工程師的智慧，為5G終端的順利推出奠定了基礎。

現今的 5G 無線電頻率不再是基頻的輔助，而是行動電話的重要組件，可以與基帶平起平坐，相互補充。

隨著5G網路建設的不斷深入，除了行動通訊之外，越來越多的5G垂直產業應用場景開始湧現。 5G終端的形式將更加多樣化，5G射頻前端也將面臨更大的考驗。

屆時5G無線電頻率又會帶來哪些新花樣呢？讓我們拭目以待！

本文出自「電子工程世界如有任何侵權或其他問題，請聯絡我們刪除。支持智慧財產權保護，轉載請註明原出處及作者。