現在都流行“端到端”,我們就以手機通話為例,觀察信號從手機到基站的整個過程,來看看基帶和射頻到底是干什么用的。
當手機通話接通后,人的聲音會通過手機麥克風拾音,變成電信號。這個電信號,是模擬信號,我們也可以稱之為原始信號。
聲波(機械波)轉換成電信號
基本頻帶是指一段特殊的頻率帶寬,也就是頻率范圍在零頻附近(從直流到幾百KHz)的這段帶寬。處于這個頻帶的信號,我們成為基帶信號。基帶信號是最“基礎”的信號。
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(也就是我們常說的BBU)。
這些信號會通過基帶中的AD數模轉換電路,完成采樣、量化、編碼,變成數字信號。具體過程如下如所示:
信源編碼,說白了,就是把聲音、畫面變成0和1。在轉換的過程中,信源編碼還需要進行盡可能地壓縮,以便減少“體積”。
對于音頻信號,我們常用的是PCM編碼(脈沖編碼調制,上圖就是)和MP3編碼等。在移動通信系統中,以3G WCDMA為例,用的是AMR語音編碼。
對于視頻信號,常用的是MPEG-4編碼(MP4),還有H.264、H.265編碼。大家應該也比較熟悉。
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,對抗信道中的干擾和衰減,改善鏈路性能。
舉個例子,信道編碼就像在貨物邊上填塞保護泡沫。如果路上遇到顛簸,發生碰撞,貨物的受損概率會降低。
去年聯想投票事件里提到的Turbo碼、Polar碼,LDPC碼,還有比較有名的卷積碼,全部都屬于信道編碼。
最基本的調制方法,就是調頻(FM)、調幅(AM)、調相(PM)。如下圖所示,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。例如幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK),還有正交幅度調制,也就是大名鼎鼎的QAM(發音是“夸姆”)。
為了直觀表達各種調制方式,我們會采用一種叫做星座圖的工具。星座圖中的點,可以指示調制信號幅度和相位的可能狀態。
調制之后的信號,單個符號能夠承載的信息量大大提升。現在5G普遍采用的256QAM,可以用1個符號表示8bit的數據。
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,電流通過導體,會形成磁場。交變電流通過導體,會形成電磁場,產生電磁波。
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,并經大氣層外緣的電離層反射,形成遠距離傳輸能力。
這種具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波,我們才稱為射頻(信號)。
和基帶一樣,我們通常會把射頻電路、射頻芯片、射頻模組、射頻元器件等產生射頻信號的一系列東東,籠統簡稱為射頻。
所以,我們經常會聽到有人說:“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”……之類的話。
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。例如900MHz的GSM頻段,1.9GHz的4G LTE頻段,3.5GHz的5G頻段。
之所以RF射頻要做這樣的調制,一方面是如前面所說,基帶信號不利于遠距離傳輸。
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,更容易實現大帶寬。
再有,你也必須調制到指定頻段,不然干擾別人了,就是違法。
根據天線理論,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[敏感詞]。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。尤其是手機側,對大天線尺寸是不能容忍的,會占用寶貴的空間。
信號經過RF射頻調制之后,功率較小,因此,還需要經過功率放大器的放大,使其獲得足夠的射頻功率,然后才會送到天線。
信號到達天線之后,經過濾波器的濾波(消除干擾雜波),最后通過天線振子發射出去。
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,解碼。處理之后的數據,會通過承載網送到核心網,完成后面的數據傳遞和處理。
以上,就是信號大致的變化過程。注意,是大致的過程,實際過程還是非常復雜的,還有一些中頻之類的都沒有詳細介紹。
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