从基带到射频：数据在手机和基站内的奇妙旅程！

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。

基带(Baseband)是手机中的一块电路，负责完成移动网络中无线信号的解调、解扰、解扩和解码工作，并将最终解码完成的数字信号传递给上层处理系统进行处理，基带即为俗称的BB，Baseband可以理解为通信模块。以iPhone为例，基带中包含了一个通信系统，是用来控制iPhone通讯的程序，控制电话通讯、WiFi无线通讯、还有蓝牙通讯。iPhone的无线信号是和基带直接相关连的，在“设置”里点击“通用”，再点击“关于本机”，在关于本机界面中的调制解调器固件的内容即为基带版本号。

在我们的手机中通常由两大部分电路组成，一部分是高层处理部分，相当于我们使用的电脑;另一部分就是基带，这部分相当于我们使用的Modem，手机支持什么样的网络制式(GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA等)都是由它来决定的，就像ADSL Modem和普通窄带Modem的区别一样。

我们用手机打电话、上网、发短信等等，都是通过上层处理系统下发指令(通常是标准AT指令)给基带部分，并由基带部分处理执行，基带部分完成处理后就会在手机和无线网络间建立起一条逻辑通道，我们的话音、短信或上网数据包都是通过这个逻辑通道传送出去的。

射频（RF）是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300kHz～300GHz之间。射频就是射频电流，简称RF，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。射频（300K-300G）是高频(大于10K)的较高频段，微波频段（300M-300G）又是射频的较高频段。

在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低于100kHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100kHz时，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。我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频。射频技术在无线通信领域中被广泛使用，有线电视系统就是采用射频传输方式。

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。

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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。
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）。

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，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。
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。

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。


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

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。


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）。
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。
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。
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：

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。