移動通信的發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的速度已經可以逛論壇斗圖了，到了4G時代幾百Mbps的高速網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的元宇宙藍圖已經展開。

為了讓人們能更流暢的上網，射頻通信工作者們可謂是操碎了心。

跟據香農定理，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。

考慮到現在的調制編碼方式一個碼元可以攜帶多bit信息，MIMO技術在同一頻段同時傳輸不同數據，因此可以將香農定理修正為：

其中m為MIMO通道數，M為碼元狀態數。

從上式不難看出，信號速率主要跟以下三項有關：

1.信號帶寬；

2.信噪比；

3.調制方式。

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，能傳輸的數據實在有限。3G時代的WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000將頻率擴展至2GHz以上，已經開始支持單載波5MHz帶寬。4G時代頻率已經延伸至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。PA需要采用新的架構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讓這些頻段盡可能地發光發熱，為香農定理的第一項做出貢獻，通信工作者們發明了載波聚合技術（CA，Carrier Aggregation）。

帶內連續CA，是將較為寬帶的一個頻段內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。

帶內非連續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。因此天線選擇開關也需要相應的調整，由原來的SPXT改為DPXT或者3PXT。支持帶間CA的發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CA的方式。對于下行，可以靈活應用拆分天線、diplexer分頻和開關雙開，最多可以支持5載波CA，帶寬直接拉滿。

信噪比

帶寬和調制兩項，系統都已經規定好了，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，不管是經過天線連接口、開關、濾波器、PCB走線，還是經過LNA，噪聲系數NF只增不減。但是接收機內部也存在固有噪聲系數，一般為2~9dB，如果能將平臺自帶的噪聲系數削弱，系統信噪比是不是就能提高呢？因此射頻工作者發明了外置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，相比不加時，系統NF少下降約2dB，等同于將系統信噪比提升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，信號都是一發一收，不求能上網，只求可以打電話。但是到了4G時代，互聯網應用層出不窮，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）一樣的數據，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，多條路徑一起傳輸不同數據，從早期的2*2 MIMO，到現在的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也對接收器件的數量和隔離度提出了新的要求。

調制方式

早期的BPSK調制一個碼元符號只能攜帶2bit數據，后來出現QPSK，一個碼元符號可以攜帶4bit數據，再到后來的256QAM，一個碼元符號可以攜帶8bit數據。在前方幫忙趟坑開路的Wi-Fi老大哥已經商用1024QAM了，一個碼元符號攜帶10bit數據，接下來的Wi-Fi 7據說要到4096QAM，一個碼元符號攜帶12bit信息。等Wi-Fi支持4096QAM調制的時候，咱們移動通信也會大規模支持1024QAM，到時候網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，定性之后咱們來定量看一下物理通道的理論速率極限。

協議分配的帶寬兩側都會留好保護間隔，因此可以傳輸數據的帶寬要打個折扣，一般射頻通信工程師會按RB計算實際有效數據帶寬。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的時長可以發送2個slot，一個slot滿帶寬發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：

以上計算結果與香農公式理論計算結果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據，因此真正傳輸的數據還要去掉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果，去掉時域中被CP占據“浪費”的部分，108*14/15=100.8（Mbps） 。

與香農公式理論計算完美吻合！

由于傳輸的符號中，還有大量的控制信息，不能用來傳數據。這些資源開銷在協議規定為5G下行0.14，上行0.08，4G上下行均為0.2177。此外256QAM調制最大碼率為948/1024≈0.92578。

因此4G下行有效傳輸數據比例為：

（1-0.2177）*0.92578=72.4%

5G下行有效傳輸數據比例為：

（1-0.14）*0.92578=79.6%

發到用戶手上的真實數據還需要乘上這個系數，即R’=R*79.6%。

手機真正使用時的網速，業內更專業地稱之為吞吐率，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，理想狀態下，下行256QAM調制，4*4 MIMO，5CC CA聚合為100MHz帶寬。此時物理信道理論極限數據率：

一臺普通的4G手機，正常情況下行64QAM調制，2*2 MIMO，10MHz帶寬。此時物理信道理論極限數據率：

速度也是相當的快。

而5G手機正常使用時，下行256QAM調制，4*4 MIMO，10MHz帶寬。此時物理信道理論極限數據率：

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調制。此時物理信道理論極限數據率：

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，調制降到QPSK，這時網速只有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一般調制階數更高，MIMO路數更多，雖無法體現數量級的差距，但還是比同等情況下的4G速率更快。

總 結

咱們每天把玩的平平無奇的手機，匯聚了無數射頻通信工作者的智慧結晶，為了將網速做快，方便大家追劇刷抖音，手機上充分整合利用了各種CA、MIMO、高階調制，層層buff疊在一起才有了現在高達幾個Gbps的速度。未來射頻仍將引領移動通信向更高更快更強演進。

發射機的EVM通常在10%以內，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，其間接收和發射信噪比的差異歡迎大家留言討論。

來源： 慧智微電子