技術(shù)揭秘：如何解決iPhone 4S信號(hào)接收靈敏度問(wèn)題？ - 全文

　　蘋(píng)果智能手機(jī)“iPhone 4S”是否解決了上一代機(jī)型“iPhone 4”飽受指責(zé)的天線問(wèn)題？為了驗(yàn)證這一疑問(wèn)，日本拓殖大學(xué)教授前山利幸實(shí)施了檢測(cè)。在分析過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)CDMA2000方式的iPhone 4S追加了接收分集功能。

　　“iPhone 4”的天線問(wèn)題在于，當(dāng)接觸到機(jī)殼左下側(cè)面時(shí)信號(hào)接收靈敏度會(huì)變差。我們?cè)?010年實(shí)際檢測(cè)過(guò)其接收靈敏度，的確存在變差的現(xiàn)象。

　　2011年后續(xù)機(jī)型“iPhone 4S”上市。與iPhone 4相比，iPhone 4S是如何改善接收靈敏度的，這是編輯部非常感興趣的技術(shù)課題。

　　無(wú)線特性良好

　　表示手機(jī)無(wú)線特性實(shí)力的TRP（總輻射功率）及TIS（總?cè)蜢`敏度）的數(shù)值獲得良好結(jié)果。旋轉(zhuǎn)手機(jī)的同時(shí)檢測(cè)了三維接收靈敏度。越是發(fā)紅色的部分，接收靈敏度就越出色。

　　因此，此次對(duì)iPhone 4S的信號(hào)接收靈敏度實(shí)施了檢測(cè)。從結(jié)論來(lái)說(shuō)，iPhone 4S擁有出色的無(wú)線特性，手持時(shí)信號(hào)接收靈敏度變差的情況得到了大幅改善（圖1）。另外，CDMA2000方式的iPhone 4S還導(dǎo)入了手持時(shí)可減輕接收靈敏度劣化的新技術(shù)。

　　圖1：接收靈敏度大幅改善

　　iPhone 4S擁有出色的無(wú)線特性，手持時(shí)的接收靈敏度下降程度控制在7～18dB。

　　下面來(lái)談一下通過(guò)iPhone 4S的接收靈敏度檢測(cè)結(jié)果以及通過(guò)分析部件明確的事項(xiàng)，并對(duì)新一代機(jī)型進(jìn)行展望。

　　利用虛擬基站

　　信號(hào)接收靈敏度的檢測(cè)是在日本拓殖大學(xué)產(chǎn)學(xué)合作研究中心的電波暗室里實(shí)施的（圖2）。在電波暗室內(nèi)，使用了安立（Anritsu）制造的基站模擬器“MT8820A”設(shè)立了虛擬基站，與配備有檢測(cè)用SIM卡的iPhone 4S實(shí)施了通信。

　　圖2：檢測(cè)環(huán)境

　　此次的接收靈敏度檢測(cè)是在日本拓殖大學(xué)產(chǎn)學(xué)合作研究中心的電波暗室中實(shí)施的。設(shè)置虛擬基站后檢測(cè)了iPhone 4S的接收靈敏度。

　　在W-CDMA方式的iPhone 4S的檢測(cè)中，準(zhǔn)備了在加拿大采購(gòu)而來(lái)的兼容SIM卡的款式，以及用來(lái)做比較的日本軟銀移動(dòng)的iPhone 4 注1）。而CDMA2000方式的檢測(cè)則使用au的iPhone 4S。為了與iPhone4做比較，頻率使用了2GHz頻帶。

　　注1）軟銀移動(dòng)的iPhone 4S不支持檢測(cè)用的SIM卡，因此使用了兼容SIM卡的iPhone 4S。

　　利用虛擬基站的檢測(cè)方法是手機(jī)廠商用來(lái)檢測(cè)包括信號(hào)接收靈敏度在內(nèi)的無(wú)線特性時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)方法。而在街道中對(duì)iPhone 4S的通信速度做比較的方法可以說(shuō)并不適于評(píng)測(cè)手機(jī)性能。這是因?yàn)?，利用各基站的手機(jī)數(shù)量的不同，以及周圍電波情況的影響等因素會(huì)使通信速度發(fā)生變化。另外，基站與交換機(jī)的線路速度，以及檢測(cè)中利用的服務(wù)器的響應(yīng)速度也影響通信速度 注2）。

　　注2）另外，在ping響應(yīng)速度的比較中，連接線路前的協(xié)議和通信方式的不同有著很大的影響。

　　無(wú)線特性良好

　　W-CDMA方式的檢測(cè)項(xiàng)目有三項(xiàng)：①手機(jī)向空間輻射的功率的總和、即“總輻射功率（TRP）”、②手機(jī)對(duì)來(lái)自多種角度的電波的接收靈敏度的平均值、即“總?cè)蜢`敏度（TIS）”、③使用特性接近人的模擬手（名為Phantom的實(shí)驗(yàn)用具）時(shí)的接收靈敏度。以上三項(xiàng)均依據(jù)第三代手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體“3GPP”和“3GPP2”制定的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法之一、即OTA測(cè)試（Test Plan For Mobile Stations Over-The-Air Performance）方法來(lái)測(cè)試。

　?、僦械腡RP和②中的TIS表示手機(jī)在無(wú)線通信性能方面的實(shí)力，是體現(xiàn)天線及RF電路設(shè)計(jì)巧拙的指標(biāo)。操作時(shí)一邊旋轉(zhuǎn)在離開(kāi)虛擬基站的位置上設(shè)置的手機(jī)，一邊根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)計(jì)算TRP和TIS。

　　檢測(cè)結(jié)果顯示，W-CDMA方式的iPhone 4S，其TRP和TIS的數(shù)值均與iPhone 4為同等水平（見(jiàn)本文開(kāi)篇圖）。TRP的數(shù)值接近日本《電波法》規(guī)定的2GHz頻帶的發(fā)送功率的上限值。而TIS達(dá)到了全球最嚴(yán)格的日本手機(jī)服務(wù)運(yùn)營(yíng)商的標(biāo)準(zhǔn)。3GPP及3GPP2給出了TRP和TIS的推薦值，估計(jì)蘋(píng)果公司遵循了這些數(shù)值。

　　與iPhone 4相比，iPhone 4S的部件及布局也做了變更。估計(jì)蘋(píng)果公司經(jīng)過(guò)這些變更，掌握了通過(guò)強(qiáng)化屏蔽及追加電容器等手段來(lái)降低噪聲，從而使無(wú)線特性提高到一定水平的技術(shù)。

　　減輕了接收靈敏度的下降程度

　　為了確認(rèn)手持時(shí)接收靈敏度的變化，使用③中的模擬手（Phantom）實(shí)施了測(cè)試。此次使用的Phantom是日本Microwave Factory公司制造的特殊產(chǎn)品。該產(chǎn)品使用模擬人體介電常數(shù)的材料，同時(shí)使表面具有了導(dǎo)電性。

　　將Phantom放好，使其接觸iPhone 4上出現(xiàn)問(wèn)題的機(jī)身左側(cè)面的黑色縫隙部分，檢測(cè)了接收靈敏度。由于在Phantom握持手機(jī)的狀態(tài)下無(wú)法實(shí)現(xiàn)垂直方向的旋轉(zhuǎn)，因此只測(cè)定了水平方向的數(shù)據(jù)（圖3）。

　　圖3：手持時(shí)的接收靈敏度的變化

　　檢測(cè)了用模擬人手的Phantom握住手機(jī)時(shí)接收靈敏度的變化。從手持時(shí)接收靈敏度的下降程度來(lái)看，iPhone 4最大為27.9dB，iPhone 4S最大為17.85dB。

　　測(cè)試結(jié)果是，即使是iPhone 4S，在使用Phantom握持時(shí)，接收靈敏度也出現(xiàn)了下降。不過(guò)，其下降程度比iPhone4大幅減輕。iPhone 4下降了5～28dB，而iPhone 4S只下降了7～18dB。接收靈敏度有6dB的差別，就相當(dāng)于從基站接收電波的距離縮短了一半。因此，iPhone 4與iPhone 4S的接收靈敏度之差可以說(shuō)非常大。

　　iPhone 4的構(gòu)造在用手堵住機(jī)身左側(cè)面的黑色縫隙部分時(shí)，供電點(diǎn)與接地就會(huì)短路。而iPhone 4S在強(qiáng)化接地的同時(shí)，局部變更了內(nèi)部構(gòu)造，由此解決了接收靈敏度下降的問(wèn)題。

　　比如，iPhone 4S在天線旁的揚(yáng)聲器模塊上追加了板簧（圖4）。這估計(jì)是為了確保與接地部分接觸，由此減小電位差。另外，估計(jì)還實(shí)施了優(yōu)化天線阻抗、使其不易受到手部影響的改進(jìn)。

　　圖4：強(qiáng)化接地

　　iPhone 4S實(shí)施了估計(jì)以強(qiáng)化接地為目的的改善。

　　手機(jī)接收靈敏度的改善不僅給用戶帶來(lái)好處，而且還可降低基站的信號(hào)發(fā)射功率。隨著輸出功率的降低，相鄰基站間的干擾減少，可通信的手機(jī)得以增加，這樣手機(jī)服務(wù)運(yùn)營(yíng)商便可提高基站的利用效率。不過(guò)，數(shù)據(jù)量會(huì)由此增加，可能生產(chǎn)骨干線路擁堵等新問(wèn)題。

　　CDMA2000方式追加接收分集功能

　　以上介紹的是為了比較iPhone 4S和iPhone4而利用W-CDMA虛擬基站實(shí)施的檢測(cè)結(jié)果。在日本，蘋(píng)果從iPhone 4S起新增加了CDMA2000款。所以此次還使用au的iPhone 4S對(duì)CDMA2000方式實(shí)施了評(píng)測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CDMA2000方式嵌入了用以改善接收靈敏度的接收分集功能。

　　通過(guò)拆解斷定，iPhone 4S上有四條縫隙，并且功率放大器IC部分還新追加了同軸連接線?？梢韵胂竦氖?，四條縫隙以高頻狀態(tài)將機(jī)框大致分成了上部、中部、下部三部分。這里說(shuō)“高頻狀態(tài)”，是因?yàn)楦哳l電路為實(shí)現(xiàn)接地共享，與所有組件上的某一點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)了電連接。

　　如果將機(jī)身下部視為主天線、將機(jī)身上部視為副天線，那么在功率放大器IC部分新追加同軸連接線便可得到合理解釋（圖5）。也就是說(shuō)，蘋(píng)果在iPhone 4S上配備了CDMA2000支持的“接收分集”功能。

　　圖5：配備接收分集功能

　　iPhone 4S上封裝了將上部天線與基板上的RF IC連接起來(lái)的連接線。CDMA2000方式估計(jì)配備了根據(jù)情況區(qū)分使用上部和下部天線的接收分集功能。

　　接收分集是無(wú)線通信領(lǐng)域很早就使用的接收靈敏度改善技術(shù)。其原理是：事先準(zhǔn)備多個(gè)接收天線，選擇電波狀態(tài)好的天線來(lái)接收信號(hào)，或者對(duì)所有天線接收到的信號(hào)統(tǒng)一實(shí)施相位合成處理。CDMA2000基帶IC主要由美國(guó)高通（Qualcomm）供應(yīng)，該公司2004年開(kāi)始將支持兩套天線的接收分集功能嵌入IC，使部分手機(jī)廠商實(shí)現(xiàn)了這一功能。

　　手機(jī)上下部的接收靈敏度下降程度存在差別

　　CDMA2000方式的iPhone 4S如果實(shí)現(xiàn)接收分集功能，那么瀏覽網(wǎng)頁(yè)時(shí)即便手握在iPhone4S的下部，通過(guò)不受手部影響的上部的副天線發(fā)揮功能，便可進(jìn)一步防止接收靈敏度的下降。

　　為了證實(shí)這一點(diǎn)，我們?cè)囍蜷_(kāi)了為開(kāi)發(fā)商準(zhǔn)備的iPhone 4S的評(píng)測(cè)模式畫(huà)面。畫(huà)面上出現(xiàn)了被認(rèn)為是用來(lái)表示上部和下部天線接收靈敏度的“RX1”和“RX0”兩個(gè)項(xiàng)目。我們用Phantom確認(rèn)了握住上部和下部時(shí)的數(shù)值變化。

　　用Phantom握住iPhone 4S上部時(shí)，只有表示上部天線接收靈敏度的RX1的數(shù)值變差，RX0沒(méi)有變化。而握住下部時(shí)則呈相反的結(jié)果。從這一結(jié)果可以判斷，4S配備了選擇接收靈敏度好的天線來(lái)接收信號(hào)的算法，實(shí)現(xiàn)了接收分集功能。

　　從接收靈敏度的下降程度來(lái)看，下部天線約為10dB，該數(shù)值與用手握住W-CDMA方式的iPhone 4S時(shí)出現(xiàn)的下降為同等水平。而上部天線受手部影響下降24dB，降為-101.2dB。這一下降程度的差別估計(jì)是由上部天線與下部天線的構(gòu)造不同造成的。

　　新一代iPhone會(huì)是什么樣？

　　下面通過(guò)回顧此次的分析結(jié)果，來(lái)推測(cè)一下估計(jì)會(huì)在不久的將來(lái)亮相的新一代iPhone。不僅是iPhone，今后的智能手機(jī)為降低成本估計(jì)都會(huì)以一款機(jī)型行銷各國(guó)、即全球通用機(jī)型設(shè)計(jì)為主流。不過(guò)，各國(guó)可使用的頻率不同，即使取最大公約數(shù)，也需要支持多個(gè)頻率。比如，iPhone 4S為支持3G頻帶配備了兩個(gè)功率放大器IC，并配備了GSM用的功率放大器IC 注3）。

　　注3）編輯部在日本D-CLUE Technologies的協(xié)助下，以iPhone 4S的功率放大器IC為中心實(shí)施了分析。在高通RF收發(fā)器IC與天線之間，主要連接著四塊IC。配備多塊IC的原因是為支持多個(gè)頻帶種類。從IC型號(hào)可以判斷，支持的是以下頻帶種類：au、NTT DoCoMo、軟銀三公司使用的2GHz頻帶、au和NTT DoCoMo使用的800MHz頻帶，以及稱為“白金頻帶（Platinum Band）”的900MHz頻帶。各手機(jī)服務(wù)運(yùn)營(yíng)商力爭(zhēng)獲得“白金頻帶”的原因之一估計(jì)就在于能夠在iPhone 4S上使用。

　　今后，NTT DoCoMo先行導(dǎo)入的LTE（Long Term Evolution）必須要安裝MIMO（Multi Input Multi Output）。尤其是可通過(guò)兩根天線發(fā)送兩種數(shù)據(jù)的“2×2 MIMO”，必須要安裝兩個(gè)收發(fā)器。

　　新一代iPhone要支持LTE的話，兩根天線的安裝問(wèn)題已隨著iPhone 4S實(shí)現(xiàn)接收分集而解決，但包括功率放大器IC在內(nèi)，RF收發(fā)器IC的封裝面積將達(dá)到現(xiàn)在的約兩倍（圖6）。另外，由于有兩倍數(shù)量的功率放大器IC同時(shí)驅(qū)動(dòng)，因此耗電量也將上升到兩倍。

　　圖6：支持LTE的話部件數(shù)量將增加

　　iPhone 4S要增加新一代通信功能LTE 2×2 MIMO的話，功率放大器的數(shù)量將會(huì)增加，以目前的基板尺寸無(wú)法容納。

　　目前可以采取的對(duì)策就是使用支持多頻帶的功率放大器IC技術(shù)。不過(guò)，要想實(shí)現(xiàn)與iPhone4S相同的連續(xù)通話時(shí)間，只能將機(jī)殼尺寸加大兩圈、增加電池容量。如果史蒂夫·喬布斯還在世的話，是否會(huì)允許新一代iPhone比現(xiàn)行機(jī)型大兩圈？還是新一代iPhone會(huì)為我們展示出更大的革新？