基帶、射頻，到底是干什么用的？

大家好，我是小棗君。今天我們來聊聊基帶和射頻。

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者帶來了困擾，甚至形成了長期的錯誤認知。

所以，我覺得有必要寫一篇文章，對基帶和射頻進行一個基礎的介紹。

——??正文開始? ——

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。

當手機通話接通后，人的聲音會通過手機麥克風拾音，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”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。在轉換的過程中，信源編碼還需要進行盡可能地壓縮，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，基帶還要對信號進行加密。

接下來的工作，還是基帶負責，那就是調制。

調制，簡單來說，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(xiàn)代數(shù)字通信技術非常發(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”）。

為了直觀表達各種調制方式，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，電流通過導體，會形成磁場。交變電流通過導體，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，基帶信號不利于遠距離傳輸。

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，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，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雜的，還有一些中頻之類的都沒有詳細介紹。

我把大致過程畫個簡單的示意圖如下：

怎么樣，是不是相當于重溫了一遍我們的《通信原理》？事實上，大家會發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實中的情況，和我們書本上的內容，還是有很大出入的。
哈哈，好啦，今天的內容就到這里。