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为了上网更流畅,射频工程师都做了什么?

2023-02-20 射频学堂 阅读:
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。

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。FAuednc

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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。FAuednc

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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。FAuednc

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:FAuednc

其中m为MIMO通道数,M为码元状态数。FAuednc

从上式不难看出,信号速率主要跟以下三项有关:FAuednc

  1. 信号带宽;FAuednc

  2. 信噪比;FAuednc

  3. 调制方式。FAuednc

  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。

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2/3/4/5G 典型带宽与调制方式
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)。

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CA示意图
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。
 

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慧智微S2592x Phase3 TXMFAuednc

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。

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慧智微S1520X系列LNA BANK
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。

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调制星座图

    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:

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以上计算结果与香农公式理论计算结果108Mbps相差7.2Mbps,我说什么来着,你小子的算法果然有问题!
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。FAuednc

因此4G下行有效传输数据比例为:FAuednc

(1-0.2177)*0.92578=72.4%FAuednc

5G下行有效传输数据比例为:FAuednc

(1-0.14)*0.92578=79.6%FAuednc

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%。FAuednc

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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。FAuednc

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。FAuednc

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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:FAuednc

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:FAuednc

速度也是相当的快。FAuednc

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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:FAuednc

和4G手机不相上下。FAuednc

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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:FAuednc

光速下载。FAuednc

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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。FAuednc

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。FAuednc

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实测4G(左)与5G(右)下载速率FAuednc

   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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责编:Ricardo
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