基帶、射頻,到底是干什么用的?
現(xiàn)在都流行“端到端”,我們就以手機(jī)通話為例,觀察信號從手機(jī)到基站的整個(gè)過程,來看看基帶和射頻到底是干什么用的。
當(dāng)手機(jī)通話接通后,人的聲音會通過手機(jī)麥克風(fēng)拾音,變成電信號。這個(gè)電信號,是模擬信號,我們也可以稱之為原始信號。
聲波(機(jī)械波)轉(zhuǎn)換成電信號 此時(shí),我們的第一個(gè)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(gè)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(shí)生活中我們經(jīng)常提到的基帶,更多是指手機(jī)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3GWCDMA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(gè)例子,信道編碼就像在貨物邊上填塞保護(hù)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(diǎn),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(gè)符號代表4個(gè)bit)
調(diào)制之后的信號,單個(gè)符號能夠承載的信息量大大提升?,F(xiàn)在5G普遍采用的256QAM,可以用1個(gè)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RadioFrequency,也就是大家熟悉的RF。從英文字面上來說,RadioFrequency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(jī)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4GLTE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(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(shí),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。
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(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(gè)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。