从基带到射频：数据在手机和基站内的奇妙旅程

wushy

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。
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$ v7 k- }& x1 ~( d8 {( a9 o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  ——

' Z* T1 ?! ^0 R9 y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。
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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。
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。

( @& c; Q( u: a- V6 u基带，英文叫Baseband，基本频带。
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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。
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; j9 v; d( g, u+ z  b, I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：

3 S5 }" A! I9 R# q3 A+ u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”。
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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。
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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。
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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
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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”。

3 f9 }) f; i% f) {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。

5 k3 ~1 d! k/ A" q7 j" zTurbo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。
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& b, r8 @% `4 j% S( D7 \5 q接下来的工作，还是基带负责，那就是调制。
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调制，简单来说，就是让“波”更好地表示0和1。

1 s. `( e8 j6 Q0 l- e$ e% D: z( f! X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。
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星座图
16QAM示意图
" Y4 Y( P9 N9 m+ y（1个符号代表4个bit）

, ^/ A8 n* z' o6 v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

+ k& @3 J/ [( j2 @1 _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。
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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。

- O8 S5 c3 w3 C( C3 K  D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。

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）。
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2 f1 f+ l7 m6 H2 ?/ c, m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。
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% H8 t5 j0 z8 Y7 m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。

4 v- x# v7 [2 W. C2 v: }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。

$ |' N  N$ f5 }1 I射频的作用，就像调度员
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* b" [. ]) I5 ~4 J: [; O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。
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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。

5 Z/ @$ z3 K! n; c( X2 p3 q9 U6 i- G再有，你也必须调制到指定频段，不然干扰别人了，就是违法。
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% O/ f* R! Q0 @5 p在工程实现上，低频也不适合。
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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。

$ |1 t. U( @* i' O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

: ?/ S& r# T8 W/ F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。
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& b) s% j4 C' F' R  l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。
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我把大致过程画个简单的示意图如下：

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，比起我们书本上的内容，还是复杂很多的。

% \" y, T! a5 k* Q. q哈哈，好啦，今天的内容就到这里。

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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。