调制解调器的作用(Modem差距远超你的想象 iPhone XS信号问题复盘)

ZAEKE知客
苦等多年，今年的新iPhone终于加入了双卡双待，而且也终于迎来了4×4 MIMO支持。但万万没想到，新iPhone却爆出了新的信号门，一时间国内外闹得沸沸扬扬，严重程度直逼当年iPhone 4的天线门。
虽然速度经常被吐槽，但全地球质量最好的2G网络、最不计工本的4G网络覆盖都在中国大陆，如果连国内用户都遇上问题，那世界各地的人民就真的身处水生火热之中了。
究竟是发生什么事呢？大家对新iPhone信号翻车的成因众说纷纭。万元手机为何沦为打不了电话的MP4？死亡一握是否依旧存在？为何还有两格信号就无法通话？这一切的背后，究竟是基带翻车？还是天线的沦陷？我们现在就来系统地复盘一下。
信号是个系统工程
虽然现在还未有定论，但影响手机信号最重要因素，不外乎就包括Modem、射频发射器和天线等等。最早被大家怀疑的，毫无疑问就是对信号影响最大的基带芯片。国内常说的基带，一般是指基带调制解调器（Baseband Modem），为准确和方便起见，下文统一使用Modem代称。
Modem的功能说白了就是负责合成和处理接收到的信号，手机所有信号的信道编解码，信源编解码、信道均衡、语音编解码、解扰、解扩和调制解调等都是由它负责。 它从最底层决定了手机支持的网络制式、信号好坏、通话质量、网络速度、延迟等实际表现，决定一台手机“身而为手机”的尊严。
但它又是手机上技术门槛最高的部分之一，而且厂商之间的技术高度独立。10年前，德仪、博通、ADI、NXP、英飞凌、Skyworks、飞思卡尔、飞利浦、诺基亚都有涉足Modem产品，但现在喊得上名号的就只剩下高通、MTK、海思、三星和英特尔几家了。当中占比和技术水平最高的都是高通，其单家就占据了Modem领域50%以上的份额。
英特尔Modem产品的前身是英飞凌，很多人对其的印象都源自于前两年iPhone的Modem混用事件。正常大厂都会准备多个零部件供应商以降低供货风险，但产品间差距过于明显就会引发各种问题。除了以前混用三星和台积电工艺的著名事件外，在iPhone 7、iPhone 8和iPhone X系列上，苹果也混用高通和英特尔的Modem。
但无论是用户反馈还是第三方机构测试，高通版都要比英特尔版本的好，差幅从30%-75%不等，而且信号越差差距越大。而更加可怕的是，苹果都把规格向下统一，把更强的高通Modem “控制”得和英特尔产品差不多。毕竟是商业产品，性能一致性可以省却很多宣传、成本和售后的麻烦。
例如上一年的高通Modem中就已经集成4×4 MIMO和LAA，而且已经是千兆LTE了，但最后为了“适应”英特尔版本，这些先进特性都被阉割屏蔽掉了。这也难怪为什么大家第一时间都觉得是英特尔Modem的锅。而且以前混用Modem只会影响部分用户，但这一代英特尔Modem的用户基数暴涨太多，更加恶化了舆论风向。
主因会是射频吗？
随后拆机网站ifixit和TechInsights都亮出了新iPhone的芯片图，大家的疑点延伸到了射频芯片。射频收发芯片（RF transceiver）是Modem的数据进出口，是继基带之后最重要的信号部件。它的工作重点是调制信号的上下变频，涉及到了频率合成、功率放大和射频收发等工作。笼统概括就是射频管收发，基带管数据处理。
新iPhone的射频前端由博通、Skyworks、Qorvo、Murata等几家厂商负责，但射频前端本身的噪声因素非常接近，技术也非常成熟，而且供应商众多，射频前端导致信号翻车的几率很低。而工作紧密结合的射频收发芯片和Modem，一般都会采用同一个厂家的产品，所以疑点都落在了英特尔的射频收发芯片上了。
手机通讯的过程，是从基站发出的信号开始，天线接收后由射频前端选择、滤波并放大，经由射频收发器完成降频、放大、模拟信号转数字信号等过程，最后交给基带处理，而信号发射则是相反对称的过程。
这个过程经过的部件和影响因素都很多，通过调整天线增益和射频功率是可以一定程度上弥补Modem的短板，并最终达到一样的信号/信噪比效果。当然，功耗未必会一样。但苹果在射频上翻车的几率同样很低，因为苹果的射频构架，多年来都是手机厂中最顶尖的，可能没有之一。
嫌疑最大的天线设计
iPhone XS射频输出功率（via：WiWavelength）
iPhone XS Max射频输出功率（via：WiWavelength）
随后，国外网站WiWavelength放出了新iPhone的射频数据和分析，显示iPhone XS系列的信号发射功率明显低于iPhone 8和前代iPhone X，多数频段的射频输出都没能跨过200mW的标准线，天线增益偏低的问题非常明显。
手机天线负责各种信号的接受和发送，从最早的外置天线（5、6年前的韩版智能手机甚至还有线收音机一样的伸缩天线），到1999年首次引入的内置天线，到后来的FPC天线和LDS天线，再到iPhone 4的金属中框天线和后来的纳米注塑天线，已经经过了N代的演变。
2G通话、4G通讯、Wi-Fi、蓝牙、GPS之外， MST、NFC和无线充电的线圈其实都是天线。当年iPhone 4激进地把不锈钢中框拆分成两段，分管通讯和其他信号的，但却因为没有表面绝缘层，导致持握姿势会直接影响信号强度。
iPhone XS Max天线增益（via：WiWavelength）
而今年的iPhone对天线设计进行了升级，侧边原有的4条天线隔断槽之外，上下边框都新增了天线槽，终于用上了骁龙835上就已经集成的4×4 MIMO了。但新iPhone天线变多的同时，每条天线的体积因此缩短，且接近频率的信号如何隔离？天线也是个非常复杂的工程，天线的长度、体积、方向性、隔离带的宽度等都会影响效果，而且不但会影响上网和通话，GPS、WiFi、蓝牙等天线也会受到影响。
被大家忽略的误区与争议点
在找iPhone信号翻车原因的过程中，有不少误区，我们这里乱序盘点一下。
1.无论是4G还是WiFi，都需要和基站或路由器交互，信号接收和发射，任意一个出问题都会导致通讯受阻。iPhone历年都是发射功率信号弱于安卓同行的（还没开卖的iPhone XR例外），这里有一部分是苹果射频增益策略的问题，同时也有高通平台那边的映衬对比，毕竟使用高通方案的厂商很少会出问题。
重点修复信号问题的系统更新
2.Modem不但会影响电话信号强弱和速度，而且也会直接影响WiFi性能。新iPhone 早期 5GHz WiFi选择问题，也有一部分是Modem调试和天线的锅，在最新的iOS 12.0.1中果不其然地升级了基带固件。
3.很多人觉得这次苹果全线使用英特尔Modem是因为成本原因，甚至网友戏言“给万元手机配5V/1A充电头的厂家，还有什么做不出来？”。但实际上，英特尔Modem的价格可能比高通还高。
首先，通讯技术更弱的英特尔，要做到和高通同水平，很可能需要类似CPU和GPU那样，通过更多的晶体管去完成同样的事情，从而导致芯片面积和成本上升。另外，英特尔要追上和高通之间的巨大差距，得投入大量的研发经费，这些都会均摊到成本里。
再者，英特尔的14nm工艺本来就已经非常吃紧了，进一步推高了XMM7560这颗新基带的价格。所以我们才会看到TechInsights的成本分析上看到，今年英特尔的Modem成本比上一年贵了4美金。
4.新iPhone信号差，还有一个锅是要全面屏和刘海来背的。留心的用户可以发现，就算是同代同配件的iPhone 8和iPhone X，也是有明显的信号差别的，它们是考察刘海屏对信号影响的特征样本。
因为天线一般都在金属边框上，而越来越高速高频网络，对金属阻断的损耗非常敏感。手机换成全面屏之后，屏幕几乎贴着边框跑，屏幕背面又是会阻挡信号的金属，留给天线的净空区比以前的手机小了几个量级。
Liquid Crystal Polymer天线
即便苹果在iPhone X就使用了介质和导体损耗更小，但设计和制作难度都非常高的多层Liquid Crystal Polymer天线。但信号水平还是不如传统设计的iPhone 8。即便到了iPhone XS，貌似这个问题依旧没有解决，并因为处理不好新增的两条天线而出现了更加严重的倒退。
5.新iPhone在良好信号环境下，其实网络速度是有了大幅跃升的，其主因是4×4 MIMO的引入。但在信号干扰或信号阻挡严重的很多地方，考验的更多是射频和Modem的纠错和容错能力。在信号良好时测出的速度，就如实验室数据不能完全代表实际使用一样，不能作为日常信号提升或者不及格的依据。
Modem间的差距远比我们想象中的大
正因为移动通讯是系统工程，Modem的位置太底层，除了最基本的规格和功能实现，很难确定它们的高下。但实际是除了上面提到的内容，Modem间的差距远比我们想象中大。
今年英特尔 XMM 7560终于追上了上一年的高通X16 LTE Modem（虽然后者已经是高通在2016年发布的产品），而这个英特尔最强Modem新增的全网通双卡支持，依旧是以前熟悉的双卡，双VOLTE还得等后续OTA，用户使用中的各种双卡切换、通话丢失信号，这种问题都是归根于基带本身的。
比起这些功能实现上的差距，信号环境兼容性，是英特尔更加难以追赶的地方。对于绝大多数用户来说，所有糟糕体验都源自于弱信号或强干扰环境。而强大的Modem不但要有多种制式、LTE双通等新功能，而且也得在遇到五花八门的阻挡和干扰、甚至各种工况异常的基站时，能提供更强的信号处理能力和纠错能力，从而提升弱信号下的连接成功率和吞吐量。
在Modem产品在设计和改进的过程中，需要海量的实验数据、用户案例、实际的测试和路试才能对各种弱信号、强干扰场景进行“适配”，没有足够的用户数目和时间累计都不可能完成。
高通Modem的优势，有一部分是源自于其在移动平台的占有率和历史，其在弱信号场景的优化，是时间和实际用户支撑起来的，是高通的护城河，也是英特尔、MTK追赶的最大障碍之一。在这里摩尔定律和逆向复制都无法生效，要求和期待英特尔Modem在几年内完成这些大跃进，是非常不现实的。
其次，从 Modem芯片到实际产品之间，射频和天线构架等众多细节的处理、调试，都需要厂商完成，成熟的调试工具和工程文档支持必不可少。高通的调试工具名声和历史之悠长，以至于很多搞机用户都可能会听过QXDM、QPST和DFS这经典的“高通三件套”，工程师甚至普通用户，可以通过这些工具自行调整和优化信号和网络表现。
而硬件上，高通Modem的历史和地位都已经是深深地印在我们这一代人的脑海中了。高通作为CDMA奠基人，在2007年推出初代骁龙芯片，在连GPU都没有的年代，高通Modem就支持3G了。
2011年的初代Gobi首发支持3G和LTE、2012年底的第三代Gobi首发了LTE-A（4G+）和全网通。高通在2014年把Gobi更名为现在大家熟知的骁龙X系列，初代产品X10 LTE Modem首发了三载波聚合，并达到了现在国内运营商都还没能突破的Cat.9（450Mbps）。
随后的历史大家就很熟悉了，骁龙820上的骁龙X12 LTE调制解调器首发了上行载波聚合并引入双卡双VoLTE支持，骁龙835上的X16 LTE调制解调器是首个商用的千兆Modem，骁龙845上的X20 LTE调制解调器又接着首发Cat.18（1.2Gbps）。还有一个细节上，高通早在2016年就首发了首个5G Modem – 骁龙X50 5G调制解调器了，该调制解调器支持在6 GHz以下和多频段毫米波频谱运行，旨在为所有主要频谱类型和频段提供一个统一的5G设计，同时应对广泛的使用场景和部署场景。
可能是因为高通最近两年花了大量精力在5G上，给了三星、英特尔等厂商在4G上追赶的时间，让大家产生了差距已经拉近的错觉（虽然今年的英特尔才追上高通当年的骁龙X16 LTE调制解调器）。但今年年初，骁龙X24 LTE调制解调器“无情”地发布了，不但刷新了LTE Modem的记录，还一口气把数值从1.2Gbps提升到了2Gbps（Cat 20），Cat 7载波聚合、同步20个LTE层这些规格，可谓是高通Modem“肌肉”的一次展示。
高通骁龙X50 5G调制解调器芯片
在更难啃的5G上，高通骁龙X50 5G调制解调器芯片组在2017年10月完成了人类首个5G数据连接，在年初的测试速度已经达到4.51Gbps。在今年8月22日，高通宣布下一代旗舰骁龙移动平台将会使用7nm制程，并能与骁龙X50 5G调制解调器搭配。骁龙X50 5G调制解调器成为首款移动端的5G Modem，已经是板上钉钉的事了。
现在是4G转5G的节点，从2016年发布骁龙5G X50调制解调器，到今年SoC出样，本就在Modem技术上领先的高通稳扎稳打，用了约2年时间。5G规范之前还没定下来是其中一个原因，但其技术难度可想而知。 考虑到现在各家5G外挂 Modem功耗严重的问题，预计除了高通，其他家的移动5G产品还要等上一段时间并可能会出现大量跳票。所以如果把5G也连在一起看的话，其他厂商和高通Modem的差距，很可能根本没有缩小，反而还在扩大。