基帶、射頻，到底是干什么用的？

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2022-04-15 05:35:46 49

現(xiàn)在都*“端到端”，我們就以手機(jī)通話為例，觀察信號(hào)從手機(jī)到基站的整個(gè)過(guò)程，來(lái)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(huì)通過(guò)手機(jī)麥克風(fēng)拾音，變成電信號(hào)。這個(gè)電信號(hào)，是模擬信號(hào)，我們也可以稱之為原始信號(hào)。

聲波（機(jī)械波）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

此時(shí)，我們的*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(hào)，我們成為基帶信號(hào)。基帶信號(hào)是最“基礎(chǔ)”的信號(hào)。

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(shuō)的BBU）。

回到我們剛才所說(shuō)的語(yǔ)音模擬信號(hào)。

這些信號(hào)會(huì)通過(guò)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(hào)。具體過(guò)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(shuō)白了，就是把聲音、畫(huà)面變成0和1。在轉(zhuǎn)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(duì)于音頻信號(hào)，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(dòng)通信系統(tǒng)中，以3G WCDMA為例，用的是AMR語(yǔ)音編碼。

對(duì)于視頻信號(hào)，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(guò)增加冗余信息，對(duì)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(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(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。

調(diào)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(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(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)。

星座圖

16QAM示意圖

（1個(gè)符號(hào)代表4個(gè)bit）

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)。

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，我們才稱為射頻（信號(hào)）。

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(hào)的一系列東東，籠統(tǒng)簡(jiǎn)稱為射頻。

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

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(shuō)，基帶信號(hào)不利于遠(yuǎn)距離傳輸。

另一方面，無(wú)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(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)天線理論，當(dāng)天線的長(zhǎng)度是無(wú)線電信號(hào)波長(zhǎng)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(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。

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

電磁波的傳播

基站天線收到無(wú)線信號(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：

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