今天給大家推薦一篇來(lái)自于知乎作者大山的文章:小白也能看懂的射頻通訊知識(shí)。手機(jī)通訊大家認(rèn)為是不是很復(fù)雜,今天我來(lái)給大家講一講,今天用白話(huà)給大家講,聽(tīng)完了你也是通訊專(zhuān)家,你也可以設(shè)計(jì)了…
說(shuō)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(gè)常見(jiàn)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(lái)了困擾,甚至形成了長(zhǎng)期的錯(cuò)誤認(rèn)知。所以,我覺(jué)得有必要寫(xiě)一篇文章,對(duì)基帶和射頻進(jìn)行一些針對(duì)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(shuō),你只聽(tīng)不說(shuō),那就像對(duì)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(shí)間非常快,我們感覺(jué)不到而已。既然是通訊嗎,我們兩個(gè)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(hào)不好,基站就要用更多的功率來(lái)給你發(fā)信號(hào),就更費(fèi)電。
那如果距離在遠(yuǎn)一點(diǎn)呢,你用力喊也聽(tīng)不見(jiàn)怎么辦?大家知道聲音是靠物質(zhì)傳播的,我們講話(huà)能聽(tīng)到是靠空氣里的氧氣氮?dú)獾日饎?dòng)傳播的,在真空中是無(wú)法傳播的。聽(tīng)不見(jiàn)這時(shí)候怎么辦,人類(lèi)是聰明的,這時(shí)候就需要借助外面物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn),早期我們用電線(xiàn)接個(gè)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(lái),我們事先說(shuō)好分別是說(shuō)明什么的,這就是我們通訊里的協(xié)議了。后來(lái)發(fā)現(xiàn)有線(xiàn)的很有局限性,這就是后來(lái)一個(gè)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(shí)最著名的就是和愛(ài)迪生的電流大戰(zhàn),愛(ài)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(guó)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(cè)出來(lái),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(guó)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(gè)字,BB機(jī),大家有印象沒(méi),后期能發(fā)射語(yǔ)音,正式進(jìn)入2G時(shí)代,現(xiàn)在已經(jīng)5G時(shí)代了,真的感嘆時(shí)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(shuō)的基帶信號(hào),射頻信號(hào)等…當(dāng)手機(jī)通話(huà)接通后,人的聲音會(huì)通過(guò)手機(jī)的麥克風(fēng)拾音,變成電信號(hào),這個(gè)電信號(hào)就是模擬信號(hào),我們稱(chēng)之為原始信號(hào),這就是我們說(shuō)的基帶信號(hào)。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(wú)法識(shí)別是什么?編碼,說(shuō)白了,就是把聲音·畫(huà)面變成0和1,解碼,就是通過(guò)電路把接收到的0和1解析出來(lái)。

除了編碼之外,基帶還要對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密。接下來(lái)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(guān)表達(dá)各種調(diào)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(diào)制信號(hào)幅度和相位的可能狀態(tài)。

調(diào)制之后的信號(hào),單個(gè)符號(hào)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(gè)符號(hào)表示8bit的數(shù)據(jù)。

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(yán)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(dǎo)體,會(huì)形成磁場(chǎng)。交變電流通過(guò)導(dǎo)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(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(chēng)為射頻(信號(hào))。基帶送過(guò)來(lái)的信號(hào)頻率很低。而射頻要做的事情,就是繼續(xù)對(duì)信號(hào)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(shuō),基帶信號(hào)不利于遠(yuǎn)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(duì)來(lái)說(shuō)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(xiàn)理論,當(dāng)天線(xiàn)的長(zhǎng)度是無(wú)線(xiàn)電信號(hào)波長(zhǎng)的1/4時(shí),天線(xiàn)的發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高。電磁波的波長(zhǎng)和頻率成正比(光速=波長(zhǎng)×頻率),如果使用低頻信號(hào),手機(jī)和基站天線(xiàn)的尺寸就會(huì)比較大,增加工程實(shí)現(xiàn)的難度。尤其是手機(jī)側(cè),對(duì)大天線(xiàn)尺寸是不能容忍的,會(huì)占用寶貴的空間。
信號(hào)經(jīng)過(guò)RF射頻調(diào)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(hào)到達(dá)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。基站天線(xiàn)收到無(wú)線(xiàn)信號(hào)之后,采取的是前面過(guò)程的逆過(guò)程——濾波,放大,解調(diào),解碼。處理之后的數(shù)據(jù),會(huì)通過(guò)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(hào)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(fù)雜的,還有一些中頻之類(lèi)的都沒(méi)有詳細(xì)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(dāng)于重溫了一遍我們的《通信原理》?事實(shí)上,大家會(huì)發(fā)現(xiàn),現(xiàn)實(shí)中的情況,和我們書(shū)本上的內(nèi)容,還是有很大出入的。
大會(huì)指導(dǎo)單位:深圳大學(xué)中國(guó)無(wú)線(xiàn)電協(xié)會(huì)大會(huì)主辦單位:深圳大學(xué)電子與信息工程學(xué)院中國(guó)無(wú)線(xiàn)電協(xié)會(huì)雷達(dá)產(chǎn)業(yè)分會(huì)南京航空航天大學(xué)電磁頻譜研究院大會(huì)協(xié)辦單位:西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室深圳大學(xué)射頻異質(zhì)異構(gòu)集成全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院南…
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