從基帶到射頻：數(shù)據(jù)在手機和基站內(nèi)的奇妙旅程

說起基帶和射頻，相信大家都不陌生。它們是通信行業(yè)里的兩個常見概念，經(jīng)常出現(xiàn)在我們面前。

不過，越是常見的概念，網(wǎng)上的資料就越混亂，錯誤也就越多。這些錯誤給很多初學(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)行一個基礎(chǔ)的介紹。

現(xiàn)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(dāng)手機通話接通后，人的聲音會通過手機麥克風(fēng)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(zhuǎn)換成電信號

此時，我們的第一個主角——基帶，開始登場。

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。處于這個頻帶的信號，我們成為基帶信號?；鶐盘柺亲睢盎A(chǔ)”的信號。

現(xiàn)實生活中我們經(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(也就是我們常說的BBU)。

回到我們剛才所說的語音模擬信號。

這些信號會通過基帶中的AD數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，完成采樣、量化、編碼，變成數(shù)字信號。具體過程如下如所示：

上圖中的編碼，我們稱之為信源編碼。

信源編碼，說白了，就是把聲音、畫面變成0和1。在轉(zhuǎn)換的過程中，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(diào)制，上圖就是)和MP3編碼等。在移動通信系統(tǒng)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(yīng)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(fā)生碰撞，貨物的受損概率會降低。

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。

接下來的工作，還是基帶負(fù)責(zé)，那就是調(diào)制。

調(diào)制，簡單來說，就是讓“波”更好地表示0和1。

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，可以指示調(diào)制信號幅度和相位的可能狀態(tài)。

星座圖

16QAM示意圖

(1個符號代表4個bit)

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)。

256QAM

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)。

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(chǎn)生射頻信號的一系列東東，籠統(tǒng)簡稱為射頻。

所以，我們經(jīng)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(shè)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(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。

射頻的作用，就像調(diào)度員

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，手機和基站天線的尺寸就會比較大，增加工程實現(xiàn)的難度。尤其是手機側(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。

電磁波的傳播

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：