日期：
2023-03-28 11:07:53
来源：中科院半导体所收集 编辑：彭
文章来源：慧智微电子
原文作者：彭
自2007年iPhone初代发布以来，智能手机快速发展，屏幕、拍照、运算能力均得到大幅度提高，现在已经成为我们生活中不可缺少的移动智能中枢。 不过在过往16年的发展中，智能手机作为一个无线通信最有代表性的载体，其“无线通信”能力反而像是一个被忽略的技术，并不被用户熟悉和感知。即使有2019年5G商用的宣传加持，但完成4G至5G的切换后，“无线通信”继续从台前走到幕后，默默在背后提供着支持。 不过这一情况最近正在变化，越来越多的手机厂商关注到手机通信能力优化带来的收益，越来越多的用户寻求连接体验的提升。 一些运营商、手机/芯片厂商以及手机用户问到：有没有一些方法，可以对手机通信能力做一个评价呢？ 我们觉得这是一个非常好的问题，于是我们就把关系到手机通信能力的技术要点做一个总结，与大家讨论“如何评价一部手机的通信能力”。 手机的通信能力是指手机在移动网络中无线信号的接收和发送的能力，通信能力的高低会影响手机的上网速率、通信质量、网络覆盖甚至手机功耗等性能，是一部手机里重要的能力指标。 在手机参数介绍中，都会明确的标识手机所支持的频段和通信制式支持。如下图为iPhone 14 Pro 5G手机中所标识相关信息[1]。虽然手机都会将通信的基本信息标注出来，但即使对从业者来说，这些信息对了解手机通信能力都太过寥寥，很难判断出手机通信能力的强弱。
图：iPhone
14 Pro 5G手机支持的通信频段和制式 但可以继续深挖一下，一般来说，手机通信能力主要与以下几个技术和优化有关，分别是： 接下来，我们就从以上三方面讨论如何评价一部手机的通信能力。
“通信技术”是电子工程里重要分支，是现代信息传输和信号处理的基础，可以说没有通信技术，就没有现在的电话、互联网、卫星等有线/无线通信网络。通信技术是通信行业原理性的技术，在此我们只从实用的角度，对影响到手机通信能力的相关技术做一个讨论。 在通信技术中，影响到手机通信能力的主要有高阶调制能力、香农定理极限。 高阶调制能力 调制（Modulation）是一种信号变换的过程，调制通过改变数据的频率、相位、幅度等特性，使信号更好的在信道上传输。 实现调制功能的电路是调制解调器，也就是大家常说的Modem（Modulation-Demodulation）。在2000年左右，不少家庭利用Modem实现了电话线上网功能，大家也从这个时候开始听说“猫”可以用来上网。其实在当前的手机中，都集成了Modem功能，实现信号转换发射。
在通信中，必须要将数据进行调制的原因是：
1. 如果直接传播0、1的数字信号，相当于是在传播方波，这将占据大量带宽，所以需要将数字信号调制成高频模拟信号（也就是射频信号），来传输 2. 将数据调制到不同的载波，也有利于信道的充分利用
在调制中，最简单的调制方式就是调幅或者调相等直接调制，这些方式主要有：
1. 移幅键控（ASK，Amplitude Shift Keying） 2. 移频键控（FSK，Frequency Shift Keying） 3. 移相键控（PSK，Phase Shift Keying）
三种调制的工作方式如下图所示。
在以上调制中，每个调制符号仅带有单个比特的信息，要么是“0”，要么是“1”。为了提升信号的传输效率，更高阶的调制方式被发明了出来，这就是经常被提到的QPSK、16QAM、256QAM，甚至1024QAM。 高阶调制的理念是把多个比特放在直角坐标系中，对于16QAM来说，总共有16个坐标点，每个点就代表0000-1111这16个信息中的一个。对于选定要传输的信息，只需要挑选对应坐标点的幅度和相位进行传输就可以，这样可以将传输效率大大提升。对于16QAM信号，一个调制符号位携带了4个比特的信息，所以16QAM调制的信道利用率就是4。 同理，如果是利用1024QAM调制进行数据传输，单个符号位就可以携带10比特信息（2^10=1,024），信道利用率提升到了10，传输效率再次加强。1024QAM信号传一次，等于原来的FSK方式传10次，这就是数字通信不断追求高阶调制的原因。 由于调制方式是决定通信速率的重要指标，在手机中一般会对此项能力做严格规定。在2019年版本的4G手机白皮书中，上行调制方式仅需要支持64QAM[2]。而在中国移动5G手机白皮书中，这一能力做了提升，要求5G手机必须支持上行及下行的256QAM调制方式[3]。手机在调制方式上的能力做了增强，通信能力也相应提升。
图：中国移动5G手机白皮书中对5G手机调制方式做的规定 在手机设计中，Modem一般集成于SoC芯片中，所以一旦SoC芯片选定，最大的高阶调制能力也确定下来。如下为联发科推出的天玑7200 5G手机SoC芯片，其集成的R16 5G Modem可支持256QAM的高阶调制。 SoC芯片将最高阶调制实现后，还需要射频前端通路完成高阶调制信号的不失真传输。慧智微5G射频前端系列产品均经过高阶调制信号严格测试，确保信号高阶调制传输不失真。 “香农定理”决定极限 既然高阶调制可以如此有效的提升传输效率，那是否可以无限的增强调制的QAM数，来使通信能力得到无限增强呢？答案是否定的，这个限制的来源就是“香农定理”。 香农（Claude Elwood Shannon，1916-2001）是信息论的奠基人，曾就职于贝尔实验室。1948年，32岁的香农在其著名的论文《通信的数学理论》中，提出了如下经典公式：
其中，C代表可传送的最大信息速率，又称信道容量；B代表信道带宽；S/N代表信号与噪声的能量比值。这就是大名鼎鼎的香农公式，也被认为是通信行业最著名的公式。 虽然数学公式总是让人望而生畏，但香农公式却可以用很简单的直觉来理解：通信能力和信号带宽呈正比，和信号质量呈正比。 以上理解已经可以帮我们解释日常生活中的大多数问题，比如为何要用更大的带宽来进行信号传输，为什么要追求更强的信号质量。这些在香农公式看来，都是为增强通信能力所做的必要努力。 香农公式的力量绝不只是帮我们理解通信这么简单，香农公式还可以帮我们计算出给定信道下的通信速率极限，以帮我们确认如高阶调制等技术努力的极限在哪里。比如将香农公式略做变形，将信道带宽B移到等式左边，就可以得到信道利用率K（定义为C/B），与信噪比之间的关系：
对于16QAM信号来说，如前节所述，其信道利用率是4，代入上式可以求出，S/N=15，即12dB。所以对于16QAM的信号传输来说，理论上必须要达到12dB以上的信噪比，才可以进行有保障的传输。 将信道利用率K与信噪比的关系在同一图表上表示如下图： 通过上图可以看到，高阶信号的传输对信号质量也提出了要求。这就说明手机信号强度对通信速率的重要性。在手机信号强的区域，信号信噪比高，手机就可以用高阶调制进行数据传输；而当手机信号变弱，就必须要回退到低阶调制来保障传输可靠，通信速率自然下降。 所以对一部手机来说，要增强通信能力，就需要保障信号的质量，以使手机尽可能的工作在高调制阶数区域。 需要说明的是，上图只是理论计算的理想情况，在实际应用中，由于信道编码的效率问题、冗余校验比特需求等，传输效率会低于理论计算。但通信工程师们也在不断努力，通过如Turbo编码等更高效的信道编码方式不断接近理论极限的信道利用率[6]。 通过过去80多年的研究，通信技术在不断的逼近香农定理的极限，信道的利用率已接近上限。 但人类对通信能力的要求是永无止境的，根据国际电信联盟ITU的统计和预测，在2010至2020的10年中，全球月移动通信数据由5亿GB每月，提升至700亿GB每月，数据增加100倍。并且在至2030年的下一个10年中，还将再提升100倍，至近十万GB每月[7]。 香农定理逼近极限，无线需求能力持续增加，这给手机工程师们提出了难题。目前在手机中，再次将通信能力提升的方法主要是依靠射频能力的增强。主要用到的技术为： 1. 更大带宽的通信频段
2. 载波聚合（CA）
3. 多入多出（MIMO）
所以，手机的通信能力，也和以上技术的支持程度息息相关。
更大带宽的通信频段 根据香农定理，信道的通信容量与带宽呈正比。所以就意味着找到更大带宽的通信频段，就可以实现更大速率的无线通信。 自2G以来，移动通信就致力于寻找更大带宽的通信信道进行信号传输。在低频段频率资源受限情况下，无线通信也向更高频率发展。目前在5G Sub-6GHz频段，n77和n79频段分别可以提供最大900MHz及600MHz频率资源，到了毫米波频段，更是可以提供3GHz以上频率资源，这是4G/3G时代是不可以想象的。
图：最大带宽频段的带宽演进
对于手机来说，可以支持更多的频段，也意味着有更强的通信能力。在一般的5G手机中，都可以对中国移动、联通、电信要求的n1/3/5/8/28/41/78频段进行支持，部分高端手机还可以对大带宽的n79进行支持。 手机会在其规格参数中明确显示支持的频段，如下图为iPhone 14 Pro手机支持的频段列表，手机支持大部分的国内及国际5G频段，并且支持n79频段[1]。
图：iPhone 14 Pro手机支持的5G频段列表 手机对新频段的支持不仅需要SoC、Transceiver芯片的支持，还需要射频前端芯片，如PA、滤波器、开关等芯片的配套支持。 虽然增大带宽可以有效提升通信速率，但频谱资源对于任何一个国家来说都是稀缺资源。怎么利用有限的频谱资源，取得更大速率的传输成为手机通信行业努力的方向。 于是，载波聚合（CA，Carrier Aggregation）就被提了出来。载波聚合的理念是将多个窄带的成员载波（Component Carrier，CC），聚合在一起，多个信道同时传输，单车道变多车道，通信能力自然增强。 载波聚合的支持需要在射频通路建立同时打开的通道，并且需要解决好两个频段间的隔离问题，对射频前端设计提出了更多的挑战，并且会增加射频前端的成本。所以对载波聚合功能的支持，成为不同价位带手机重要的差异化功能。
图：手机对CA功能的支持
以高通平台为例，以欧洲版本手机方案为例，对于中阶4系列平台，其支持的CA组合为63个，而对于其高阶6系列平台，支持的CA组合数量增加至112个。 图：不同价位平台支持的CA组合数量
同新频段的支持一样，载波聚合功能的支持需要SoC、Transceiver与射频前端芯片的共同协作才能支持。 MIMO技术的全称是Multi-input Multi-output，多输入多输出，这是利用射频提升通信能力的又一重要技术。 MIMO技术提升通信能力的原理主要有两个，分别是：分集提升可靠性；复用提升容量。 其实在从单入单出（SISO，Single-input Single-output）到MIMO的演变过程中，还有SIMO和MISO两个演变，这四种结构的关系如下图所示。 在SISO系统中，收发均为单一路径，传输1路信号。在这种系统中，信号传输不可靠，在受到干扰时很容易影响传输速率。 为了改变这一局面，可以在手机处再增加一个天线，这就是分集天线，这样可以使接收端同时接收到两路信号，实现单发多收SIMO。单发多收系统可以提升信号的可靠性和稳定性。但由于接收到的信号是从同一个发射天线发射出来的，数据传输相同，所以分集接收并不能增加传输通道数目，也就不能使通信速率翻倍。 同样的道理，可以实现多发单收MISO。由于接收天线只有一个，MISO系统同样不能增加传输通道数目，但MISO系统可以用于设计发射端的波束赋形系统，利用发射信号间的相位相加，实现基站发射信号向特定方向的叠加增强。 如果将发射与接收信号同时增加，实现MIMO系统，就可以实现2路信号的同时收发，增加通道数目，使通信速率翻倍。这也就是4G/5G中的空间复用技术。对于收发同为2根天线的系统，也称为2x2 MIMO系统。 为了支持MIMO系统，标准化组织或运营商会要求终端发射及接收通道数目。在规定中，发射一般用T表示（缩写自Transmit），接收一般用R表示（缩写自Receive）。比如对于中国移动白皮书，对于5G手机收发通路数目有如下要求[3]： 图：中国移动5G手机要求
支持的MIMO的能力也是不同价位手机差异所在。比如对于iPhone 14 Pro手机，n41/79频段均支持2T4R MIMO。而对于入门级5G手机，对于n41频段一般只支持1T4R MIMO，在发射MIMO能力上做了简化。 MIMO功能的支持，需要射频前端与SoC、Transceiver配合支持。 通过以上技术分析，可以对一部手机的基本通信能力有一个大致了解。比如观察联发科天玑7200 SoC，就可以看到以下信息： 不过以上评估仅表示手机有无对应的通信“能力”，但要达到用户真正有感知的通信能力提升，还需要在手机设计上多加考虑。例如需要考虑以下几点的性能优化。 与笔记本电脑等其他移动设备不同，手机极其强调便携性，这给手机的天线设计带来极大挑战。并且手机应用环境有着强的不确定性，手机需要在不同持握状态下，均有好的通信信号。 不好的天线设计会让前述通信能力的引入前功尽弃，苹果iPhone 4就经历过所谓的“天线门”，手机在特定握持状态下，会造成天线的短路，进而影响手机通信，给用户使用造成很大不便。 5G手机天线性能优化需要考虑天线架构设计，天线调谐设计等。是5G手机设计中的重点考虑指标[8]。
射频性能的“增强”能力
这些增强的方法虽然不像第一、二节讨论那样，可以从通信原理的本质上提升通信能力，但却可以明显的改善用户的使用体验。这一点也是拉开不同手机使用差距的技术要点。 虽然不同手机使用的芯片可能相同，但在射频性能调试上、结合场景优化上做的不同，会带来用户使用感受的明显不同。 手机通信能力的优化不限于以上提到的部分，任何有助于用户可以更快速的刷视频、更少的掉线的技术，都可以用于手机通信能力的提升。比如还可以利用软件与硬件的结合，更好的做好场景优化，甚至可能通过手机与基站的协同，完成手机体验的提升。这些都是不同厂商可以利用自身优势，提升通信能力的考虑。 另外，手机可能是一天中陪伴用户时间最长的智能设备，通信能力的提升还必须要结合功耗、芯片尺寸、成本等多个因素进行优化，带着镣铐跳舞，在众多限制中找到最优解。
自1973年大哥大的诞生以来，手机已经快速发展了50年。在这50年中，人们对手机的要求也越来越高。 通信能力是手机中的重要能力，但因为射频技术复杂，场景众多，较难量化，所以也是最难评价的能力之一。 有关手机射频通信能力的评价，可能可以以下几点作为参考： 3. 实际场景评价：建立仿用户使用场景范例，评价实际使用优化能力 [1]. https://www.apple.com.cn/iphone-14-pro/specs/ [2]. 中国移动4G手机产品白皮书（2019年版），中国移动，2019年6月 [3]. 中国移动5G手机产品白皮书（2023年版），中国移动，2022年12月 [4]. MediaTek Dimensity 7200，https : //i. mediatek .com/ dimensity -7200 [5]. C. E. Shannon，A mathematical theory of communication, The Bell System Technical Journal, vol. 27, 1948 [6]. R1-167414, Enhanced Turbo Codes for NR: Performance Evaluation [7]. Global mobile data traffic forecast by ITU， https:/ /www. ericsson .com/en/ reports-and-papers /mobility-report /dataforecasts/ mobile- traf fic-forecast [8]. 5G移动终端天线设计，林辉等，中国工信出版社，2021， 编辑：木心