从基带到射频:数据在手机和基站内的奇妙旅程

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本文来自无线深海
 
说起基带和射频,相信大家都不陌生。它们是通信行业里的两个常见概念,经常出现在我们面前。
 
不过,越是常见的概念,网上的资料就越混乱,错误也就越多。这些错误给很多初学者带来了困扰,甚至形成了长期的错误认知。
 
所以,我觉得有必要写一篇文章,对基带和射频进行一个基础的介绍。
 
——  正文开始  ——
 
现在都流行“端到端”,我们就以手机通话为例,观察信号从手机到基站的整个过程,来看看基带和射频到底是干什么用的。
 
当手机通话接通后,人的声音会通过手机麦克风拾音,变成电信号。这个电信号,是模拟信号,我们也可以称之为原始信号。
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声波(机械波)转换成电信号
 
此时,我们的第一个主角——基带,开始登场。
 
基带,英文叫Baseband,基本频带。
 
基本频带是指一段特殊的频率带宽,也就是频率范围在零频附近(从直流到几百KHz)的这段带宽。处于这个频带的信号,我们成为基带信号。基带信号是最“基础”的信号。
 
现实生活中我们经常提到的基带,更多是指手机的基带芯片、电路,或者基站的基带处理单元(也就是我们常说的BBU)。
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回到我们刚才所说的语音模拟信号。
 
这些信号会通过基带中的AD数模转换电路,完成采样、量化、编码,变成数字信号。具体过程如下如所示:
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上图中的编码,我们称之为信源编码。
 
信源编码,说白了,就是把声音、画面变成0和1。在转换的过程中,信源编码还需要进行尽可能地压缩,以便减少“体积”。
 
对于音频信号,我们常用的是PCM编码(脉冲编码调制,上图就是)和MP3编码等。在移动通信系统中,以3G WCDMA为例,用的是AMR语音编码。
 
对于视频信号,常用的是MPEG-4编码(MP4),还有H.264、H.265编码。大家应该也比较熟悉。
 
除了信源编码之外,基带还要做信道编码。
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编码分为信源编码和信道编码
 
信道编码,和信源编码完全不同。信源编码是减少“体积”。信道编码恰好相反,是增加“体积”。
 
信道编码通过增加冗余信息,对抗信道中的干扰和衰减,改善链路性能。
 
举个例子,信道编码就像在货物边上填塞保护泡沫。如果路上遇到颠簸,发生碰撞,货物的受损概率会降低。
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去年联想投票事件里提到的Turbo码、Polar码,LDPC码,还有比较有名的卷积码,全部都属于信道编码。
 
除了编码之外,基带还要对信号进行加密。
 
接下来的工作,还是基带负责,那就是调制。
 
调制,简单来说,就是让“波”更好地表示0和1。
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最基本的调制方法,就是调频(FM)、调幅(AM)、调相(PM)。如下图所示,就是用不同的波形,代表0和1。
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现代数字通信技术非常发达,在上述基础上,研究出了多种调制方式。例如幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK),还有正交幅度调制,也就是大名鼎鼎的QAM(发音是“夸姆”)。
 
为了直观表达各种调制方式,我们会采用一种叫做星座图的工具。星座图中的点,可以指示调制信号幅度和相位的可能状态。
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星座图
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16QAM示意图
(1个符号代表4个bit)
 
调制之后的信号,单个符号能够承载的信息量大大提升。现在5G普遍采用的256QAM,可以用1个符号表示8bit的数据。
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256QAM
 
好了,基带的活儿总算是干完了。接下来该怎么办呢?
 
轮到射频登场了。
 
射频,英文名是Radio Frequency,也就是大家熟悉的RF。从英文字面上来说,Radio Frequency是无线电频率的意思。严格来说,射频是指频率范围在300KHz~300GHz的高频电磁波。
 
大家都知道,电流通过导体,会形成磁场。交变电流通过导体,会形成电磁场,产生电磁波。
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频率低于100kHz的电磁波会被地表吸收,不能形成有效的传输。频率高于100kHz的电磁波可以在空气中传播,并经大气层外缘的电离层反射,形成远距离传输能力。
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这种具有远距离传输能力的高频电磁波,我们才称为射频(信号)。
 
和基带一样,我们通常会把射频电路、射频芯片、射频模组、射频元器件等产生射频信号的一系列东东,笼统简称为射频。
 
所以,我们经常会听到有人说:“XX手机的基带很烂”,“XX公司做不出基带”,“XX设备的射频性能很好”,“XX的射频很贵”……之类的话。
 
基带送过来的信号频率很低。而射频要做的事情,就是继续对信号进行调制,从低频,调制到指定的高频频段。例如900MHz的GSM频段,1.9GHz的4G LTE频段,3.5GHz的5G频段。
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射频的作用,就像调度员
 
之所以RF射频要做这样的调制,一方面是如前面所说,基带信号不利于远距离传输。
 
另一方面,无线频谱资源紧张,低频频段普遍被别的用途占用。而高频频段资源相对来说比较丰富,更容易实现大带宽。
 
再有,你也必须调制到指定频段,不然干扰别人了,就是违法。
 
在工程实现上,低频也不适合。
 
根据天线理论,当天线的长度是无线电信号波长的1/4时,天线的发射和接收转换效率最高。电磁波的波长和频率成正比(光速=波长×频率),如果使用低频信号,手机和基站天线的尺寸就会比较大,增加工程实现的难度。尤其是手机侧,对大天线尺寸是不能容忍的,会占用宝贵的空间。
 
信号经过RF射频调制之后,功率较小,因此,还需要经过功率放大器的放大,使其获得足够的射频功率,然后才会送到天线。
 
信号到达天线之后,经过滤波器的滤波(消除干扰杂波),最后通过天线振子发射出去。
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电磁波的传播
 
基站天线收到无线信号之后,采取的是前面过程的逆过程——滤波,放大,解调,解码。处理之后的数据,会通过承载网送到核心网,完成后面的数据传递和处理。
 
以上,就是信号大致的变化过程。注意,是大致的过程,实际过程还是非常复杂的,还有一些中频之类的都没有详细介绍。
 
我把大致过程画个简单的示意图如下:
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怎么样,是不是相当于重温了一遍我们的《通信原理》?事实上,大家会发现,现实中的情况,和我们书本上的内容,还是有很大出入的。
 
哈哈,好啦,今天的内容就到这里,几道思考题奉上。
 
思考题:
 
1、射频模块送到天线的信号,是数字信号还是模拟信号?
 
2、手机基带送到射频的信号,是基带信号吗?
 
3、信号到达基站后,除了信道解码之外,要不要做信源解码?
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