“基帶”和“射頻”是通信行業裏的兩個常見概念,每個人可能對這兩個概念的理解都不壹樣,造成這樣的原因是對它們理解的不夠。 ?
基帶和射頻是做什麽用的呢?以手機通話為例,來觀察信號從手機到基站的整個過程基帶和射頻所起到的作用。
壹、通過麥克風的拾音將聲波(機械波)轉換為電信號。當手機通話接通後,人發出的聲音會通過手機麥克風拾音,變成電信號(這個就是原始的模擬信號)。 ?
二、通過基帶調制將聲音原始模擬信號轉換為數字信號基帶,基本頻帶(Baseband),是指壹段頻率範圍非常窄的信號,也就是頻率範圍在零頻附近(從直流到幾百KHz)的這段帶寬。處於這個頻帶的信號,我們稱為基帶信號,它是未經過載波調制的最“基礎”信號。現實生活中我們經常提到的基帶,更多是指手機的基帶芯片、電路,或者基站的基帶處理單元(BBU)。 ?
這時,我們會很難理解什麽是載波調制,通過模擬信號的載波調制,我更加容易理解數字載波調制的過程。調制是改變載波信號壹個或多個特性的過程。所謂改變特性,無非就是改變載波信號的振幅或者相位。調制信號通常包含要傳輸的信息。 ?
模擬調制的目的是將模擬基帶(或低通)信號,在不同頻率的模擬帶通信道上傳輸。數字調制的目的是在模擬通信信道上傳輸數字比特流。這些原始模擬信號會通過基帶芯片中的數/模(A/D)轉換電路,完成信號采樣、量化、編碼,變成數字信號。 ?
上圖中的這個過程稱之為信源編碼,就是把聲音、畫面變成“0”和“1”,目的是使信源減少冗余,更加有效、經濟地傳輸,更加有效、經濟地傳輸,最常見的應用形式就是壓縮,以便減少“體積”。 ?
除了信源編碼之外,基帶還要做信道編碼。信道編碼,和信源編碼完全不同。信源編碼是減少“體積”。信道編碼恰好相反,是增加“體積”。信道編碼通過增加冗余信息(如校驗碼等),對抗信道中的幹擾和衰減,改善鏈路性能。信道編碼就像在貨物邊上填塞保護泡沫。這樣貨物運輸途中受損概率就會降低。
除了編碼之外,基帶還要對信號進行加密。最基本的調制方法,就是調頻(FM)、調幅(AM)、調相(PM)。如下圖,就是用不同的波形,代表0和1。 ?
現代數字通信技術非常發達,在上述基礎上,研究出了多種調制方式。如:ASK(幅移鍵控)、FSK(頻移鍵控)、PSK(相移鍵控)等,還有現在常見到的QAM(正交幅度調制)。我們通過星座圖來直觀的表達各種調制方式,如下圖: ?
星座圖中的點,可以指示調制信號幅度和相位的可能狀態。 ?
如:16QAM,可以用1個符號表示4個bit的數據。 ?
5G普遍采用的256QAM,可以用1個符號表示8bit的數據。 ?
調制之後的信號,單個符號能夠承載的信息量大大提升。
三、到此,基帶幹完了它該幹的活,輪到射頻了射頻(Radio
Frequency,簡稱RF),是指頻率範圍在300KHz~300GHz的高頻電磁波。頻率低於100kHz的電磁波會被地表吸收,不能形成有效的傳輸。頻率高於100kHz的電磁波可以在空氣中傳播,並經大氣層外緣的電離層反射,形成遠距離傳輸能力。
具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波,我們才稱為射頻(信號)。電磁波的產生,是交變電流通過導體,會形成電磁場,產生電磁波。 ?
現實生活中,我們通常會把產生射頻信號的射頻電路、射頻芯片、射頻模組、射頻元器件等,籠統簡稱為射頻。如:有人說,“XX手機的基帶很爛”,“XX公司做不出基帶”,“XX設備的射頻性能很好”,“XX的射頻很貴”……基帶送過來的信號頻率很低。而射頻要做的事情,就是繼續對信號進行調制,從低頻,調制到指定的高頻頻段。如:900MHz的GSM頻段,1.9GHz的4G
LTE頻段,3.5GHz的5G頻段。 ?
為什麽射頻要做這樣的調制?無線頻譜資源緊張,法律法規有明確指示頻段的相應用途,這樣才不會互相造成幹擾。低頻頻段普遍被用作其他用途,高頻頻段資源相對來說比較豐富,更容易實現大帶寬。基帶信號不利於遠距離傳輸;
低頻頻段不利於工程實現;當天線的長度是無線電信號波長的1/4時,天線的發射和接收轉換效率最高。電磁波的波長和頻率成反比(光速=波長×頻率)如果使用低頻信號,手機和基站天線的尺寸就會比較大,增加工程實現的難度。尤其是手機端,對大天線尺寸是不能容忍的,會占用寶貴的空間。 ?
信號經過射頻調制之後,功率較小,還需要經過功率放大器的放大,使其獲得足夠的射頻功率,然後才會送到天線。信號到達天線之後,經過濾波器的濾波(消除幹擾雜波),最後通過天線振子以電磁波的形式發射出去。
四、無線信號的接收和轉換基站天線收到無線信號之後,會對信號進行濾波,放大,解調,解碼,然後通過承載網送到核心網,再由對方手機基站和手機完成後面的數據傳遞和處理,這個過程是上面接收到的逆過程。 ?
以上,就是手機端到手機端信號大致的變化過程,實際過程還是會復雜很多。