【通信观系列】四、基带及射频的用处

基带及射频的用处

• 概述
• 基带
• 射频

基带和射频是通信领域中两个至关重要的概念，它们在我们的日常通信中扮演着关键角色。

然而，正是这些常见概念往往存在大量网络信息的混淆和误解，给初学者带来了不少困惑，甚至导致了一些根深蒂固的错误认知。

为此，我决定撰写本文，旨在为读者提供关于基带和射频的基础性介绍，帮助大家建立正确的理解。

概述

"端到端"通信是当前的主流技术趋势。让我们以手机通话为例，解析信号从手机到基站的完整传输过程，深入了解基带和射频的具体功能。

通话建立后，手机麦克风首先将声波（机械波）转换为模拟电信号，这就是我们所说的原始信号。

此时，通信系统的关键角色——基带开始发挥作用。

基带

**基带（Baseband）**特指零频附近的特定频段（从直流到几百KHz）。在这个频段内传输的信号被称为基带信号，这是最基础的信号形式。

在实际应用中，"基带"通常指代：

• 手机的基带芯片及电路
• 基站的基带处理单元（BBU）

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：

上图中的编码，我们称之为信源编码。

信源编码的本质是将声音、图像等信号转换为数字形式的0和1序列。在此过程中，还需要进行数据压缩以减小文件体积。

音频信号处理主要采用以下编码方式：

• PCM编码（脉冲编码调制）
• MP3编码
• 移动通信系统（如3G WCDMA）使用的AMR语音编码

视频信号处理则主要采用：

• MPEG-4编码（MP4）
• H.264编码
• H.265编码

此外，在完成信源编码后，系统还需进行信道编码处理。

编码主要分为信源编码和信道编码两种类型。

信道编码与信源编码有着本质区别：信源编码旨在压缩数据体积，而信道编码恰恰相反，是通过增加数据量来实现其功能。

具体来说，信道编码通过引入冗余信息来抵御信道干扰和信号衰减，从而提升通信链路的整体性能。

举个形象的例子：信道编码就像在运输货物时填充保护泡沫。当运输途中遇到颠簸或碰撞时，这些缓冲材料能有效降低货物受损的风险。

在去年联想投票事件中提及的Turbo码、Polar码、LDPC码以及广为人知的卷积码，都属于信道编码范畴。

除编码外，基带还需完成信号加密处理。

调制是基带的另一项重要工作，其本质是通过调整波形特性来更有效地表示0和1的二进制数据。

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。

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。

星座图

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。

256QAM

射频

终于完成了基带部分的工作。接下来该进行什么？

现在该轮到射频部分了。

射频（Radio Frequency，简称RF），从字面理解就是无线电频率。准确来说，射频特指频率范围在300KHz至300GHz之间的高频电磁波。

我们都知道，当电流通过导体时会形成磁场。而交变电流通过导体时，则会形成电磁场并产生电磁波。

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。

这种能够进行远距离传输的高频电磁波，我们称之为射频信号。

与基带类似，我们通常将射频电路、射频芯片、射频模组、射频元器件等产生射频信号的组件统称为射频系统。

因此，我们常会听到诸如"某款手机的基带性能较差"、“某公司无法自主研发基带”、"某设备的射频表现优异"或"某品牌的射频组件价格昂贵"等说法。

基带传输的信号频率较低，而射频的主要功能就是将这些信号进一步调制到指定的高频频段，例如900MHz的GSM频段、1.9GHz的4G LTE频段或3.5GHz的5G频段。

射频如同无线通信的"调度员"

射频调制技术主要基于以下考量：

1. 传输需求

• 基带信号本身不适合远距离传输
• 无线频谱资源有限，低频段多被占用
• 高频段资源相对丰富，更易实现大带宽

2. 法规要求 必须工作在指定频段，避免干扰其他通信系统

3. 工程实现 根据天线理论，当天线长度为信号波长的1/4时效率最佳。由于波长与频率成反比：

• 低频信号需要更大尺寸的天线
• 手机等终端设备对天线尺寸有严格限制

信号处理流程：

电磁波的传播

基站天线接收到无线信号后，会执行与发送端相反的流程：首先进行滤波处理，随后对信号进行放大，接着完成解调和解码操作。经过这些处理的数据会通过承载网传输至核心网，进行后续的数据传递和处理。

以上就是信号传输的基本流程示意图。需要说明的是，这仅是一个简化的流程概述，实际过程要复杂得多，比如中频处理等环节在此未作详细展开。

为便于理解，我绘制了简单的流程示意图如下：

是不是感觉像重温了一遍《通信原理》？不过大家应该发现了，实际情况和课本内容还是有不少差异的。

今天的分享就到这里啦！

最后给大家留几个思考题，欢迎在评论区留言讨论。点赞最高的回答将获得精美礼品一份，快来参与吧！

思考题：