聲波（機械波）轉換成電信號

 

 

此時(shí)，我們的第一個(gè)主角——基帶，開(kāi)始登場(chǎng)。

 

基帶，英文叫Baseband，基本頻帶。

 

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(gè)頻帶的信號，我們成為基帶信號?；鶐盘柺亲?ldquo;基礎”的信號。

 

現實(shí)生活中我們經(jīng)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(shuō)的BBU）。

 

 

回到我們剛才所說(shuō)的語(yǔ)音模擬信號。

 

這些信號會(huì )通過(guò)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(guò)程如下如所示：

 

 

上圖中的編碼，我們稱(chēng)之為信源編碼。

 

信源編碼，說(shuō)白了，就是把聲音、畫(huà)面變成0和1。在轉換的過(guò)程中，信源編碼還需要進(jìn)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(dòng)通信系統中，以3G WCDMA為例，用的是AMR語(yǔ)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。

 

除了信源編碼之外，基帶還要做信道編碼。

 

 

編碼分為信源編碼和信道編碼

 

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(guò)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(gè)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(fā)生碰撞，貨物的受損概率會(huì )降低。

 

 

去年聯(lián)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。

 

除了編碼之外，基帶還要對信號進(jìn)行加密。

 

接下來(lái)的工作，還是基帶負責，那就是調制。

 

調制，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是讓“波”更好地表示0和1。

 

 

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(shù)非常發(fā)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(fā)音是“夸姆”）。

 

為了直觀(guān)表達各種調制方式，我們會(huì )采用一種叫做星座圖的工具。星座圖中的點(diǎn)，可以指示調制信號幅度和相位的可能狀態(tài)。

 

 

星座圖

 

16QAM示意圖

（1個(gè)符號代表4個(gè)bit）

 

調制之后的信號，單個(gè)符號能夠承載的信息量大大提升?，F在5G普遍采用的256QAM，可以用1個(gè)符號表示8bit的數據。

 

256QAM

 

好了，基帶的活兒總算是干完了。接下來(lái)該怎么辦呢？

 

輪到射頻登場(chǎng)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(lái)說(shuō)，Radio Frequency是無(wú)線(xiàn)電頻率的意思。嚴格來(lái)說(shuō)，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(guò)導體，會(huì )形成磁場(chǎng)。交變電流通過(guò)導體，會(huì )形成電磁場(chǎng)，產(chǎn)生電磁波。

 

 

頻率低于100kHz的電磁波會(huì )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(chēng)為射頻（信號）。

 

和基帶一樣，我們通常會(huì )把射頻電路、射頻芯片、射頻模組、射頻元器件等產(chǎn)生射頻信號的一系列東東，籠統簡(jiǎn)稱(chēng)為射頻。

 

所以，我們經(jīng)常會(huì )聽(tīng)到有人說(shuō)：“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(lèi)的話(huà)。

 

基帶送過(guò)來(lái)的信號頻率很低。而射頻要做的事情，就是繼續對信號進(jìn)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。

 

 

射頻的作用，就像調度員

 

之所以RF射頻要做這樣的調制，一方面是如前面所說(shuō)，基帶信號不利于遠距離傳輸。

 

另一方面，無(wú)線(xiàn)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(lái)說(shuō)比較豐富，更容易實(shí)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。

 

在工程實(shí)現上，低頻也不適合。

 

根據天線(xiàn)理論，當天線(xiàn)的長(cháng)度是無(wú)線(xiàn)電信號波長(cháng)的1/4時(shí)，天線(xiàn)的發(fā)射和接收轉換效率最高。電磁波的波長(cháng)和頻率成正比（光速=波長(cháng)×頻率），如果使用低頻信號，手機和基站天線(xiàn)的尺寸就會(huì )比較大，增加工程實(shí)現的難度。尤其是手機側，對大天線(xiàn)尺寸是不能容忍的，會(huì )占用寶貴的空間。

 

信號經(jīng)過(guò)RF射頻調制之后，功率較小，因此，還需要經(jīng)過(guò)功率放大器的放大，使其獲得足夠的射頻功率，然后才會(huì )送到天線(xiàn)。

 

信號到達天線(xiàn)之后，經(jīng)過(guò)濾波器的濾波（消除干擾雜波），最后通過(guò)天線(xiàn)振子發(fā)射出去。

 

 

電磁波的傳播

 

基站天線(xiàn)收到無(wú)線(xiàn)信號之后，采取的是前面過(guò)程的逆過(guò)程——濾波，放大，解調，解碼。處理之后的數據，會(huì )通過(guò)承載網(wǎng)送到核心網(wǎng)，完成后面的數據傳遞和處理。

 

以上，就是信號大致的變化過(guò)程。注意，是大致的過(guò)程，實(shí)際過(guò)程還是非常復雜的，還有一些中頻之類(lèi)的都沒(méi)有詳細介紹。

 

我把大致過(guò)程畫(huà)個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖如下：

 

 

怎么樣，是不是相當于重溫了一遍我們的《通信原理》？事實(shí)上，大家會(huì )發(fā)現，現實(shí)中的情況，和我們書(shū)本上的內容，還是有很大出入的。