手机基带是什么意思(手机基带的作用及工作原理)

 2022-09-29 08:21:35    54  

手机基带是什么意思(手机基带的作用及工作原理)

一直以来,iPhone手机的信号为人诟病。与友商产品相比,iPhone的信号的确差很多,在一些移动信号覆盖较差的地方,iPhone的表现更是惨不忍睹。

信号差不仅影响续航、产生大量辐射(为了确保通信正常,手机会不断搜索信号),还会严重影响到打电话、上网等基础功能。

信号,我们通常对其的认识都是手机状态栏中的竖格标志。其实,这只是为了让用户直观地了解信号强度采用的图形化显示。信号强度也可以用数字表示,安卓设备采用dBm(毫瓦分贝)和asu(独立信号单元)两种单位,苹果设备则只用dBm。

采用dBm单位时,数值必须负数表示。这是因为这一数值是信号强度与1毫瓦(信号功率小于1毫瓦)的比值取10倍对数计算而来,计算的结果只能是负数。asu可通过dBm换算而来,用正数表示。

强度方面,dBm和asu的数值越大,信号越好。小于-113dBm则表示完全没有信号。最佳数值目为-40到-50,这一强度很难达到,基本要特别靠近基站才能实现。

手机要有信号就必须有基站。简单来说,基站的作用就在于向手发送电磁波信号,同时也接受手机的信号,相当于一个中介。

那么,手机是如何接受到基站发出的信号的呢?

决定手机基础功能的基带

通常,我们会认为手机是由屏幕、电池、处理器组成,这也是消费者能接触到的最多的几个手机部件。

但是,一部可支持打电话、发短信、网络服务、APP应用的手机,通常包含五个部分:射频、基带、电源管理、外设、软件。其中,基带对手机是否能接受到信号具有决定性作用。

基带,是对英语Baseband的直译叫法,是指没有经过调制(解码、变换)的原始电信号所固有的频率范围(频率带宽)。例如,音频信号的基带范围可以是20到20000赫兹。当我们要远距离传输音频时(打电话),这一信号就被调制到一个更高的、听不见的频率范围。传播之后经过再解码就能被听到了。

简而言之,我们将原始电信号理解成车,那么基带就是这些“车”行驶的车道范围。

当然,这是专业领域的指称。在日常消费领域,我们所说的“基带”其实指的是手机的通信模块(调制解调器),也用于指称对应的控制软件(固件)。前者安装在手机内部,需要拆机才能发现;后者则可以在手机设置选项中的“基带版本”(安卓)或“调制解调器固件”(iPhone)中查看。

手机基带是什么意思(手机基带的作用及工作原理)

图1 iPhone12中使用的基带(绿色方框,图源:ifixit)

当然,完整的通信模块并不只有这一小块。还包括电源管理和电路等部分。基带的主要工作是对无线信号的进行调制、解扰、解扩和解码工作,并将最终解码完成的数字信号传递给上层处理系统进行处理。

一句话总结,想要有信号有网络打电话发短信,基带必不可少。

此外,基带还决定手机支持的运营商网络制式。

虽然各家运营商都有4G或者5G网络,但是每家运营商使用的网络制式是不同的,以4G为例,我国三大运营商使用的就是TD和FDD两种制式。

简单来说,如果将手机之间的通信比作是从北京到上海的路程。那么不同的交通方式就代表不同的网络制式。而选用何种交通方式就是由基带决定的。

对于支持网络制式较多的基带,用户可以使用不同的网络制式。所以,在3G时代我们常听到的某运营商定制机,其实就是使用了不支持、或者被软件屏蔽了其他运营商网络的基带的手机。这种情况下,如果插入别的运营商SIM卡,那么手机就会显示无信号。

基带的具体工作流程,我们以打电话为例,先上图:

手机基带是什么意思(手机基带的作用及工作原理)

图2 通信原理 (图源:https://my.oschina.net/u/4406457/blog/4296927)

当我们讲话时,手机麦克风会收集声音,讲话声带有一定规律的频率、幅度,可以用一条连续的曲线来表示,也就是声波。此时的声音就是模拟信号,也称连续信号,这是一种用连续变化的物理量所表达的信息。

但问题是,基带可不认识什么模拟信号啊!为了通信能够继续,就必须进行模数转换(A/D转换),即将模拟信号转变为基带可识别的数字信号。

一般来说,模拟信号转换为数字信号需要经过信号的采样、量化与编码3个步骤。

采样是对连续信号在时间上进行离散,即按照特定的时间间隔在原始的模拟信号上逐点采集瞬时值。如下图,我们在曲线上取几组相同间隔的值:

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图3 采样(图源:sci.engr.uconn.edu)

上图左侧的曲线代表模拟信号,右侧图中的红点就表示采样取值。其中,我们把间隔称之为采样间隔。采样间隔是可以根据需要调整的(如上图)。不过,间隔过大会导致信息丢失,严重时导致信息失真。

所以,一般采样间隔的取值都很小,在毫秒、微秒的量级。采样间隔的倒数也就是有时我们所说的采样频率,用fs表示,单位赫兹(hertz)。比如,无线电广播所用采样频率一般为22050Hz,表示一秒内采集的样本为22050个。

采样完成后,我们就得到了一组数值,称之为样本。但是我们从上面也看到,一秒钟采样多达上万个样本,也就是有上万个数值,这么多的数值处理起来太麻烦,因此就需要量化。

量化是指将信号的连续取值(或者大量可能的离散取值)近似为有限多个(或较少的)离散值的过程,也就是取整数值的过程(因为数字信号只能是整数)。

量化完成后,还需要编码。模拟信号中的取值是十进制,数字信号采用的是二进制编码,因此模拟信号转换称数字信号,编码是必不可少的。

至此,讲话声(模拟信号)就转换成了数字信号(也就是上图右下中的蓝色线)。不过基带的工作还没完成。

信号在传输过程中易受到干扰和衰减,为了有效的抵抗信道中干扰和衰减,基带还要进行信道编码。也就是在原信号中添加与其相关的附加信息,接受端会根据这种相关性来检测和纠正传输过程产生的差错,从而对抗传输过程的干扰。

同时,为了保证讲话内容的安全性,基带还会进行加密。

这一步完成后,信号还需要调制,也就是对基带信号的波形进行变换使它能够与信道特性相适应,这一步也被称作基带调制。

至此,基带的工作完成。调制后的基带信号经过射频调制(图1中橙色部分)再发送给基站,基站之间经过传输,最终信号会到达接收人的手机,基带再次发挥作用,经过解调、解密等操作,我们的声音就能被别人听到。

可以看出,基带的作用是基础性的,直接关系着手机基础通信功能的实现。一直以来,苹果为人诟病的信号问题就是因为基带。

不断集中的基带市场

根据信息技术市场研究机构Strategy Analytics的数据,全球蜂窝基带处理器市场收益在2020年第二季度同比增长了20%,达到62亿美元。

高通、海思、联发科、英特尔和三星LSI在2020年第二季度占据了全球蜂窝基带处理器市场前五名的收益份额。高通以39%的收益份额领先,其次是海思22%,联发科占17%。

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图4 2020 Q2全球基带市场份额(数据来源:Strategy Analytics)

从市场的发展来看,基带市场的集中程度在不断增加。

3G时代,具有基带研发能力的厂商包括高通、英飞凌、飞思卡尔、意法半导体-恩智浦、博通、Marvell、德州仪器和英伟达。

到了4G时代,市场洗牌,各家业务调整,具有全网通基带能力的只有高通、联发科、英特尔、华为海思和三星。到现在的5G,真正具有能力而且能被市场接受的只有高通、海思和联发科。

可以看出,高通在基带市场多年来一直屹立不倒。在3G时代,高通和另一家公司掌握了3G网络制式CDMA的绝大部分核心专利,想要使用就必须缴纳高额专利费。这也就导致当时许多基带不支持全网通,市场上就出现了运营商定制机。

4G时代的高通,凭借自己在手机处理器市场上的绝对优势,其4G基带业务也得到了很大的增长。

5G时代的高通也相当领先,早在2016年10月,全球5G标准还没制定好的时候,高通抢跑发布了10nm制程的X50 5G基带芯片。不过,从性能来看,X50的表现很一般,完全像是一款过渡产品。

去年2月,7nm制程的二代基带X55发布。iPhone12采用的就是X55基带,不过标注的型号却是X55M,目前尚不知道和X55有何区别。

今年2月,高通又发布了第三代5G基带芯片X60,制程达到了5nm,预计将在2021年初商用。不论是从技术还是市场来看,高通都是当之无愧的霸主。

通讯起家的华为涉足基带市场较早,凭借自身在5G技术上的领先优势,在5G基带市场上目前也打下了一片天地。

2019年7月,华为发布了自己的第一款5G手机——Mate20 X 5G,使用的5G基带芯片就是自研的巴龙5000。相比与高通的X50(X55虽然于同年2月发布,但是商用要等到2020年),巴龙5000最大的优势就在于其是集成基带,而X50需要采用外挂的形式。

目前,华为在基带市场收益已经达到了第二名。不过,华为的5G基带都是自用,暂时没有开放给其他厂商,这对市场份额占有率也有一定影响。同时,美国的制裁也会影响其基带业务。

去年,在上面排行榜中排名第三的联发科也推出了自己的helio M70 5G基带,并将其集成到天玑1000 5G芯片中。从数据来看,这款芯片的表现相当不错,同时支持NSA与SA组网,支持双卡双5G、5G载波聚合(一种可以极大提高网络速率的技术)。

除了这三家,三星其实也推出了自己的5G基带,不过虽然已经推出,但是自己家的手机用的都还是高通的基带产品.....

总的来说,基带市场的集中程度不断增加,此前还做基带的英特尔也已经将这部分业务卖给苹果。苹果虽然计划自研基带,但是目前看来还遥遥无期。随着5G的推广,高通在这一市场的优势或将继续大。

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