小小的手机居然集成了这么多的射频系统？！？
我们在《iPhone15 Pro Max究竟用了哪些牛叉的芯片？》上，通过iFixt的拆解报告分析了最新的iPhone15手机中的射频模块，在这块独立的RF PCB上也只看到了一块高通X70 基带芯片和两块高通SDR735射频收发芯片以及一块毫米波收发芯片SMR546. 剩下的主要是一些射频前端模块FEM了。但是你知道这块简单的RF PCB上支持多少无线通信系统吗？这些无线通信系统到底工作在哪些频段？无线通信是一部手机的必备功能。现在买手机，对于无线通信这一块的关注度少了很多，毕竟这是一项基本功能。最多有时候看一下是不是支持5G？但有一些手机甚至连支持不支持5G也不详细说明了。消费者更关注的似乎只是手机CPU快不快，内存够不够大，以及摄像头够不够清晰。但是在2010年之前的时候，手机制式还是一个非常重要的选项，比如移动版还是联通版亦或者CDMA电信版。尤其是淘 宝买水货的时候，国外网络和国内能不能通用，显得尤其重要。而且支持的频段也越来越多，只要运营商在运营的频段，几乎都可以支持，下图是来自小米官网的小米14规格参数截图，支持2G时代的全制式，包括GSM和CDMA 共4个频段；3G时代的WCDMA的6个频段；4G LTE的全制式包括FDD-LTE和TDD-LTE，共17个频段；5G NR的12个频段。（TDS-CDMA可能早就下网了），不考虑不同制式射频频段相同的话，小米14共支持39个移动通信网络频段。下图是iPhone15 支持的网络通信频段，共支持 2G GSM 4个频段，3G WCDMA 的5个频段，4G TLE 的27个频段以及5G NR的23个频段。不考虑不同制式射频频段相同的情况下，iPhone 15 共支持 59个频段。
通过支持的移动网络通信频段对比，我们发现 iPhone15居然比小米14多了足足20个频段。这也许就是小米手机上用到的射频收发芯片比iPhone上少一个的主要原因吧。如果是这样的话，那么也不影响你使用的频段的通信质量了，毕竟你也用不了59个频段。
中国移动在网运行的频段主要有：B8 900MHz，B3 1800MHz，B34 2GHz，B39 1.9GHz，B40 2.3GHz，B41/N41 2.6GHz 以及N79 4.9GHz。N79 虽然分给移动了，但是现网应该还没有N79的基站，主要用于5G热点或者专网。中国联通目前在网运行的频段主要有 B8 900MHz，B3 1800MHz，B1 2.1GHz， B40 2.3GHz 和N78 3.5GHz。原来的B41 2.6GHz 的频段重新清网给移动用了。N78 联通和电信共同运营，每家100MHz带宽。
中国电信在网运行的频段主要有B5 BC0 850MHz，B3 1800MHz， B1 2.1GHz和 N78 3.5GHz。电信的B41频段也重新清网之后分配给移动了。
所以无论是支持频段少的小米手机还是支持多达59个频段的苹果手机，在国内应用都是完全没有问题的。小米手机再减一半频段也不影响国内的通信质量。但是如果你喜欢全球跑的话，就要考虑你的手机是不是支持这个国家的频段了。除了必备的蜂窝通信不可或缺之外，现在常用的近距离无线通信也是必备的，比如链接无线局域网的Wifi，连接无线耳机用到的蓝牙 Bluetooth，支持无线精准定位与感知的超宽带UWB以及各种无线读卡功能的NFC等。Wi-Fi 是一个基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术。Wi-Fi从1997年推出WiFi0开始，已经升级到了WiFi 7。无线通信的速率越来越快，从最初的2Mbps，最新的WiFi7 支持最高30Gbps的传输速率。WiFi的工作在ISM频段中的2.4G和5G频段。2.4G频段用得最为广泛，工作频率为2.4GHz-2.4835GHz，共83.5MHz带宽。这个频段应用比较广泛很多其他的无线网络也工作在这个频段，比如蓝牙，无线遥控器，微波炉等，所以干扰也比较大。并且带宽比较窄，通信速率也受到限制。所以在后期的WiFi版本中加入了5G这个频段，后面在WiFi7中还支持6G频段。5G频段带宽比较宽，从5.15GHz到5.85GHz，共700MHz带宽，接近2.4G的10倍，可以提供更高的通信速率，并且干扰比较小，但是电磁波频率越高，在空气中传播衰减越大，5G WiFi的覆盖距离通常比2.4G要小。最好的Wifi配置是两个频段都支持，互为补充，2.4G提供较大覆盖面积，而5G WiFi 则负责高速率传输。不仅手机端要支持 2.4G和5GWiFi， 相应的无线路由器也需要提供双频模式。
蓝牙也是手机上不可或缺的一项无线通信技术，我们常用的无线耳机，车载通信等都是通过蓝牙来连接的。从1998年推出第一代蓝牙技术，到现在已经发展了5代，所以蓝牙技术也到了5G时代。如下图所示，最主要的特点也是传输速率越来越快，并且传输距离也越来越远。当然每一代之间还有一些小版本的升级，比如在2002年和2003年分别推出了蓝牙1.1和蓝牙1.2，传输速率从最初的723Kb/s 提升到了1Mb/s。蓝牙技术的工作频率也是2.4 GHz，为了避免和工作在相同频率的无线技术的干扰，比如WiFi，蓝牙采用了跳频扩频技术FHSS（Frequency-Hopping Spectrum Spred），这个技术将频带分成1MHz间隔的79个调频信道，蓝牙设备的信号以伪随机的方式从一个信道跳到另一个信道，从表面看，蓝牙占据了整个ISM频段，但实际上只有约1MHz的频段被占用，并且调频的速率是1600跳每秒。- Bluetooth Classic，支持两种不同的数据速率，基本速率 (BR) 和增强数据速率 (EDR)。
- Bluetooth Low Energy (LE)，针对低功耗进行了优化，主要用于受电池续航时间限制的应用。Bluetooth LE 不常用于交换大量数据，但与 Bluetooth Classic 相比，可以提供支持实现更高的音频质量和更多样化的音频选项。
UWB也是一种近距离通信技术，在iPhone11上，苹果公司开发了超宽带UWB技术的空间感知能力Spatial Awareness。利用UWB技术的超高精度定位能力，提高了手机的定位精度，并且能够感知周围手机的准确位置。紧接着，小米也推出了具备UWB技术的手机——“一指连”，基于这项“一指连”技术，手机和智能设备将具备空间感知能力，犹如“室内GPS”。当手机指向智能设备，控制卡片就能自动弹出，能够直接进行操控。UWB通信技术的工作频率从3.1GHz到10.6GHz，总共7.5GHz 的可用频谱带宽，相对带宽超过100%。根据香农定理，通信带宽越宽，其信道容量就越大，就可以接受更高的信噪比，并且功率谱密度也比较低。因此UWB可以在很低的功率下，提供高精度的通信。这样即减小了功率损耗，又把对其他通信系统的干扰降到最低。UWB通信在iPhone15上有支持，但是在小米14的规格书上没有看到相关的介绍。个人感觉UWB技术在手机上并不是一个必要项，反正我没用过。
NFC通信技术现在越来越是手机的标配了，因为每次带着一堆卡出门实在太麻烦了。NFC是由非接触式射频识别（RFID）及互连互通技术整合演变而来的，工作在13.56MHz，对于射频来说是一个比较低的频率，其主要通过电磁波的近场区进行数据传输，传输速度有106Kbit/s、212Kbit/s或者424Kbit/s三种。NFC的传输距离比较短，通常只有10厘米，因此具有更高的安全性，更适合在移动支付，交通卡，门禁卡，电子门票，电子钥匙等领域应用。
具备NFC功能的国产安卓手机，应用比较广泛，苹果手机的NFC功能个人感觉有点受限，捣鼓了好长时间，我的门禁卡还没有读取到苹果手机上，国产安卓手机很容易把日常用的电子卡读取到手机上使用。卫星定位和导航也是手机的一项基本功能了。自从有了智能手机，车载导航我再也没用过了。从iPhone15的介绍中，我们看到，iPhone15支持五种定位系统，分别是美国的GPS，俄罗斯的GloNASS，欧盟开发的伽利略Galileo，日本开发的准天顶卫星系统QZSS和中国自主研发的北斗系统。美国的全球卫星定位系统GPS 是最早全球卫星导航系统，总共有24颗卫星组成，均匀地分布在6个轨道上，每颗卫星距地面约1.7万千米。GPS主要工作在 L1/L2和L5 频段上，如下表所示。随后是前苏联时期开发的，后被俄罗斯继承的格洛纳斯GLONASS卫星导航系统。按照设计，格洛纳斯星座卫星由中轨道的24颗卫星组成，包括21颗工作星和3颗备份星，分布于3个圆形轨道面上，轨道高度19100千米，倾角64.8°。但是受俄罗斯经济影响，格洛纳斯系统的建设也受到了很大的影响，据说目前也仅有8颗卫星在正常工作。所以格洛纳斯越来越缩小成了一个局部导航系统了。伽利略卫星导航系统是由欧盟联合开发的一款全球卫星导航系统，系统由轨道高度为23616千米的30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星轨道高度约2.4万公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。在二十一世纪初的时候，中国也有参与到欧盟的伽利略计划中，但是后来因为你懂我懂大家懂的原因，中国被排挤出来了。这也才有了我们后来横空出世的北斗。欧洲伽利略和中国北斗的工作频段如下，伽利略系统主要在E1，E5和E6，中国北斗则工作在B1，B2和B3，
我们都知道，频谱是稀有资源，按照”先来先得“的国际惯例，美国的GPS和俄罗斯的GLONASS 用了最好的卫星定位频谱资源——L频段。而后面的北斗和伽利略就只能在剩下的频段里面找好的了。因为北斗和伽利略系统的建设时间类似，这里还发生一个小小的插曲：中国在2009年发射三颗“北斗”二代卫星，正式启用该频率，而欧盟连预定的三颗实验卫星都没有射齐，注定败下阵来，失去对频率的所有权。因此，通常认为北斗的频率仅次于GPS和GLONASS系统，而优于伽利略系统。目前在国内，卫星导航主要采用的是我们自主研发的北斗系统，其定位精度更高，而且安全性更好，并且北斗还支持具备短报文通信。华为Mate60Pro的发布，拉来了手机支持卫星通话的序幕。在卫星通话领域，最著名的还是马斯克的星链。在2015年的时候，马斯克宣布要发射大约1.2万颗通信卫星发射到轨道,其中1584颗将部署在地球上空550千米处的近地轨道，这个星链将为人类提供高速互联网服务。而且是全地球，无死角，随时，随地，随便，只要你有钱。到2023年7月份，Starlink 总共有4519颗卫星发射成功，其中有4487颗卫星正在运行，目前可提供5Mbps到200Mbps不等的传输速率，这个传输速率已经可以满足大部分人的上网需求了。下图给出了Starlink的射频参数，地面站和卫星之间采用27.5GHz-30GHz的毫米波频段传输，而卫星和用户终端之间采用10.7GHz到12.7GHz的频段传输。
基于星链的卫星通话，需要专门的starlink通信装置，如下图所示。但是华为Mate60 Pro 则可以直接使用手机进行卫星通话，无需借助额外的设备。其采用的是由中国电信负责运营，由航天五院牵头研制的天通一号卫星通信系统。工作在S频段，上行1980MHz-2010MHz，下行是2170MHz-2200MHz。目前可支持100万用户的语音和低速率网络连接。
现在支持卫星通信的手机还比较少，我想最主要的原因还是如何在手机上做出高增益的卫星天线还是一个业界难题，想把Starlink的那口”锅“集成到手机上更不可能。
一个小小的手机上，居然集成了如此多的无线通信系统，支持如此多的无线频段，这除了射频模块芯片化的巨大贡献之外，还有就是天线技术的发展。如何把如此多的频段的天线集成到手机上，这是一个难题。不过，肯定是已经解决了。[object Object]
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首次发布时间：2024-01-02
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