移動通信的發(fā)展一直圍繞著信號傳輸速率的提升演進。2G時代幾十Kbps的速度只能支持看文本小說，3G時代幾Mbps的速度已經(jīng)可以逛論壇斗圖了，到了4G時代幾百Mbps的高速網(wǎng)絡讓人們可以隨心所欲的刷抖音，開視頻會議。而5G時代，基于VR/AR的元宇宙藍圖已經(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，信號傳輸速率：

其中R為信號速率，B為信號帶寬，S/N為信噪比。

考慮到現(xiàn)在的調(diào)制編碼方式一個碼元可以攜帶多bit信息，MIMO技術(shù)在同一頻段同時傳輸不同數(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，信號速率主要跟以下三項有關(guān)：

1.信號帶寬；

2.信噪比；

3.調(diào)制方式。

信號帶寬

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

帶寬的增加和高頻的擴展，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)和工藝來支持更高的頻率，更大的帶寬。

物盡其用

Sub 3G的頻段相當擁擠，有效帶寬2.2GHz的頻譜內(nèi)分布了50多個Band，除了B40/41這種高頻，其他頻段因為中心頻率低，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)定理的第一項做出貢獻，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頻段內(nèi)沒被用上的那一段再利用起來，一起傳輸，相當于將帶寬加倍。

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Band內(nèi)操作。

帶間CA，將兩個不同的頻段同時傳輸，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需要兩個頻段同時工作，所以射頻前端對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)也需要相應的調(diào)整，由原來的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。

因為兩個PA同時工作難度較大，因此在上行時增加帶寬往往采用帶內(nèi)CA的方式。對于下行，可以靈活應用拆分天線、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，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人能力為人民造福的地方。

降低噪聲提升單路信噪比

信號在傳輸過程中的每一步，都會增加新的噪聲，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。但是接收機內(nèi)部也存在固有噪聲系數(shù)，一般為2~9dB，如果能將平臺自帶的噪聲系數(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，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對提升接收靈敏度功效顯著，4G/5G手機上現(xiàn)在基本是標配。

增加分集增強信號

3G以前的時代，信號都是一發(fā)一收，不求能上網(wǎng)，只求可以打電話。但是到了4G時代，互聯(lián)網(wǎng)應用層出不窮，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)，信號加倍而噪聲因為不相干被部分消除，增強了信噪比。

后來短視頻和網(wǎng)劇的興起對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，無需增加帶寬即可極大的提升信號傳輸速率。當然MIMO也對接收器件的數(shù)量和隔離度提出了新的要求。

調(diào)制方式

早期的BPSK調(diào)制一個碼元符號只能攜帶2bit數(shù)據(jù)，后來出現(xiàn)QPSK，一個碼元符號可以攜帶4bit數(shù)據(jù)，再到后來的256QAM，一個碼元符號可以攜帶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，一個碼元符號攜帶10bit數(shù)據(jù)，接下來的Wi-Fi 7據(jù)說要到4096QAM，一個碼元符號攜帶12bit信息。等Wi-Fi支持4096QAM調(diào)制的時候，咱們移動通信也會大規(guī)模支持1024QAM，到時候網(wǎng)速又可以再上一個臺階。

物理通道速率計算

前面講完理論基礎(chǔ)，定性之后咱們來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)都會留好保護間隔，因此可以傳輸數(shù)據(jù)的帶寬要打個折扣，一般射頻通信工程師會按RB計算實際有效數(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：

如果有看官對此計算有疑慮，咱們不妨從碼元傳輸角度再來計算一遍。

1ms的時長可以發(fā)送2個slot，一個slot滿帶寬發(fā)100RB，一個RB由12個子載波、7個碼元符號組成，一個碼元符號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：

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

橋豆麻袋！實際編碼的時候碼元符號最前面會加上循環(huán)前綴（CP，Cyclic Prefix）。在OFDM符號前面加上CP可以消除符號間的干擾，但這個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占用的時間。每個symbol前面都有CP，除第一個CP占160個采樣周期，其他6個CP只有144個采樣周期，而一個OFDM符號有2048個采樣周期，因此CP在時隙中占比為：

這個就是物理信道中被“浪費”的帶寬。

我們再將按頻域計算的結(jié)果，去掉時域中被CP占據(jù)“浪費”的部分，108*14/15=100.8（Mbps） 。

與香農(nóng)公式理論計算完美吻合！

由于傳輸?shù)姆栔校€有大量的控制信息，不能用來傳數(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)到用戶手上的真實數(shù)據(jù)還需要乘上這個系數(shù)，即R’=R*79.6%。

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

在實際使用中，想必大家經(jīng)常遇到5G手機有時候刷劇也很卡，緩沖半天；4G手機有時候反而網(wǎng)速飛快，APP秒下。一方面是因為基站分配的帶寬限制，另一方面則是因為高端4G手機配置很高，網(wǎng)速一點都不輸5G。

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

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

速度也是相當?shù)目臁?/p>

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

和4G手機不相上下。

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

光速下載。

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

下圖為小米11國內(nèi)版手機分別采用4G與5G連接測試圖示，可以看到，4G連接時下載速率為89.47 Mbps，而5G連接時下載速率為236.16 Mbps，與前文計算基本一致。用戶使用時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，雖無法體現(xiàn)數(shù)量級的差距，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奇的手機，匯聚了無數(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)在高達幾個Gbps的速度。未來射頻仍將引領(lǐng)移動通信向更高更快更強演進。

發(fā)射機的EVM通常在10%以內(nèi)，對應的SNR在15~30dB，而計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。

來源： 慧智微電子