今天給大家推薦一篇來自于知乎作者大山的文章:小白也能看懂的射頻通訊知識。手機(jī)通訊大家認(rèn)為是不是很復(fù)雜,今天我來給大家講一講,今天用白話給大家講,聽完了你也是通訊專家,你也可以設(shè)計了…
說起基帶和射頻,相信大家并不陌生,它們是通訊行業(yè)里的兩個常見概念,經(jīng)常出現(xiàn)在我們面前。網(wǎng)上資料很多很亂,給很多初學(xué)者帶來了困擾,甚至形成了長期的錯誤認(rèn)知。所以,我覺得有必要寫一篇文章,對基帶和射頻進(jìn)行一些針對小白也能懂的介紹。
首先什么是通訊,就比如現(xiàn)在我在和你聊天,我一句你一句我們之間就叫通訊,例如我一直在說,你只聽不說,那就像對講機(jī)一樣變成單通道通信,事實(shí)中我們也是單通道通訊,只是切換的時間非常快,我們感覺不到而已。既然是通訊嗎,我們兩個人聊天,距離決定了我們聊天的質(zhì)量,距離太遠(yuǎn)我們就要用力喊著聊天,是不是你做的功就多,就像我們射頻通訊里一樣,你的信號不好,基站就要用更多的功率來給你發(fā)信號,就更費(fèi)電。
那如果距離在遠(yuǎn)一點(diǎn)呢,你用力喊也聽不見怎么辦?大家知道聲音是靠物質(zhì)傳播的,我們講話能聽到是靠空氣里的氧氣氮?dú)獾日饎觽鞑サ模谡婵罩惺菬o法傳播的。聽不見這時候怎么辦,人類是聰明的,這時候就需要借助外面物質(zhì)來實(shí)現(xiàn),早期我們用電線接個鈴鐺,你一下我一下,這就是最基本的通訊了,最著名的就是摩斯密碼,把我敲幾下,你敲幾下記錄下來,我們事先說好分別是說明什么的,這就是我們通訊里的協(xié)議了。后來發(fā)現(xiàn)有線的很有局限性,這就是后來一個神人出現(xiàn)改變了我們今天的生活,尼古拉特斯拉,關(guān)于他的一些貢獻(xiàn),你們可以自己查查,交流電就是他發(fā)明的,當(dāng)時最著名的就是和愛迪生的電流大戰(zhàn),愛迪生推廣他的直流電,特斯拉推廣交流電,這里不在詳細(xì)講述,很經(jīng)典。
電磁波的發(fā)現(xiàn)--1864年,英國科學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,建立了完整的電磁波理論. 電磁波首先由詹姆斯·麥克斯韋于 1865 年預(yù)測出來,他斷定電磁波的存在,推導(dǎo)出電磁波與光具有同樣的傳播速度.而后由德國物理學(xué)家海因里希·赫茲于1887年至1888年間在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)存在。

既然有了載體,那我們要做的就是把我們的聲音放進(jìn)去發(fā)射出去,前期我們只能發(fā)射幾個字,BB機(jī),大家有印象沒,后期能發(fā)射語音,正式進(jìn)入2G時代,現(xiàn)在已經(jīng)5G時代了,真的感嘆時代進(jìn)步太快了!!!能通訊了,原理具體是什么呢,這就涉及到我們常說的基帶信號,射頻信號等…當(dāng)手機(jī)通話接通后,人的聲音會通過手機(jī)的麥克風(fēng)拾音,變成電信號,這個電信號就是模擬信號,我們稱之為原始信號,這就是我們說的基帶信號。有了基帶我們就要講下編碼解碼,不然我們發(fā)出去的你無法識別是什么?編碼,說白了,就是把聲音·畫面變成0和1,解碼,就是通過電路把接收到的0和1解析出來。

除了編碼之外,基帶還要對信號進(jìn)行加密。接下來的工作,還是基帶負(fù)責(zé),那就是調(diào)制。最基本的調(diào)制方法,就是調(diào)頻(FM)、調(diào)幅(AM)、調(diào)相(PM)。
如下圖所示,就是用不同的波形,代表0和1。

現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)非常發(fā)達(dá),在上述基礎(chǔ)上,研究出了多種調(diào)制方式。例如幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK),還有正交幅度調(diào)制,也就是大名鼎鼎的QAM(發(fā)音是“夸姆”)。為了直觀表達(dá)各種調(diào)制方式,我們會采用一種叫做星座圖的工具。星座圖中的點(diǎn),可以指示調(diào)制信號幅度和相位的可能狀態(tài)。

調(diào)制之后的信號,單個符號能夠承載的信息量大大提升。現(xiàn)在5G普遍采用的256QAM,可以用1個符號表示8bit的數(shù)據(jù)。

好了,基帶的活兒總算是干完了。接下來該怎么辦呢?輪到射頻登場了。射頻,英文名是Radio Frequency,也就是大家熟悉的RF。從英文字面上來說,Radio Frequency是無線電頻率的意思。嚴(yán)格來說,射頻是指頻率范圍在300KHz~300GHz的高頻電磁波。大家都知道,電流通過導(dǎo)體,會形成磁場。交變電流通過導(dǎo)體,會形成電磁場,產(chǎn)生電磁波。頻率低于100kHz的電磁波會被地表吸收,不能形成有效的傳輸。頻率高于100kHz的電磁波可以在空氣中傳播,并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射,形成遠(yuǎn)距離傳輸能力。

這種具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波,我們才稱為射頻(信號)。基帶送過來的信號頻率很低。而射頻要做的事情,就是繼續(xù)對信號進(jìn)行調(diào)制,從低頻,調(diào)制到指定的高頻頻段。例如900MHz的GSM頻段,1.9GHz的4G LTE頻段,3.5GHz的5G頻段。

之所以RF射頻要做這樣的調(diào)制,一方面是如前面所說,基帶信號不利于遠(yuǎn)距離傳輸。另一方面,無線頻譜資源緊張,低頻頻段普遍被別的用途占用。而高頻頻段資源相對來說比較豐富,更容易實(shí)現(xiàn)大帶寬。
再有,你也必須調(diào)制到指定頻段,不然干擾別人了,就是違法。在工程實(shí)現(xiàn)上,低頻也不適合。根據(jù)天線理論,當(dāng)天線的長度是無線電信號波長的1/4時,天線的發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高。電磁波的波長和頻率成正比(光速=波長×頻率),如果使用低頻信號,手機(jī)和基站天線的尺寸就會比較大,增加工程實(shí)現(xiàn)的難度。尤其是手機(jī)側(cè),對大天線尺寸是不能容忍的,會占用寶貴的空間。
信號經(jīng)過RF射頻調(diào)制之后,功率較小,因此,還需要經(jīng)過功率放大器的放大,使其獲得足夠的射頻功率,然后才會送到天線。信號到達(dá)天線之后,經(jīng)過濾波器的濾波(消除干擾雜波),最后通過天線振子發(fā)射出去。基站天線收到無線信號之后,采取的是前面過程的逆過程——濾波,放大,解調(diào),解碼。處理之后的數(shù)據(jù),會通過承載網(wǎng)送到核心網(wǎng),完成后面的數(shù)據(jù)傳遞和處理。以上,就是信號大致的變化過程。注意,是大致的過程,實(shí)際過程還是非常復(fù)雜的,還有一些中頻之類的都沒有詳細(xì)介紹。我把大致過程畫個簡單的示意圖如下:

怎么樣,是不是相當(dāng)于重溫了一遍我們的《通信原理》?事實(shí)上,大家會發(fā)現(xiàn),現(xiàn)實(shí)中的情況,和我們書本上的內(nèi)容,還是有很大出入的。