在通信行業(yè)的廣袤天地里，基帶與射頻宛如兩顆璀璨的星辰，雖常見卻蘊(yùn)含著復(fù)雜而精妙的奧秘。它們頻繁出現(xiàn)在大眾視野中，然而，網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于這兩個(gè)概念的資料魚龍混雜，錯(cuò)誤信息屢見不鮮，這無疑給眾多通信領(lǐng)域的初學(xué)者帶來了極大的困擾，甚至導(dǎo)致長期的錯(cuò)誤認(rèn)知。為了撥云見日，清晰地呈現(xiàn)基帶與射頻的真實(shí)面貌，本文將以手機(jī)通話為例，深入剖析信號(hào)從手機(jī)到基站的奇妙旅程，為大家揭開基帶與射頻的神秘面紗。

手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可以概括為兩大核心功能模塊：基帶信號(hào)處理器(baseband processor)和射頻處理(RF Processing)。這兩個(gè)模塊共同協(xié)作，使得手機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)通信、數(shù)據(jù)處理等多種功能。

▲ 基帶信號(hào)處理器解析

基帶處理器，作為手機(jī)內(nèi)部的關(guān)鍵組件，由多個(gè)核心構(gòu)成，包括應(yīng)用核、多媒體核以及通信核等。這些核心不僅為操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供支持，還與麥克風(fēng)、攝像頭、屏幕等外圍設(shè)備建立接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與控制。

值得一提的是，基帶處理器還承載著支持2G、3G、4G乃至5G通信協(xié)議的重任。然而，并非所有手機(jī)都能同時(shí)支持這些協(xié)議，手機(jī)的具體支持情況與其類型緊密相關(guān)。例如，一款5G手機(jī)可能支持NR、4G LTE、3G WCDMA以及2G GSM EDGE等多種協(xié)議，從而使其能夠接入并通信于這些網(wǎng)絡(luò)。但同時(shí)，它也可能因不支持CDMA 2000協(xié)議而在該網(wǎng)絡(luò)上無法正常通信。

此外，藍(lán)牙和Wi-Fi等非3GPP協(xié)議的集成也是現(xiàn)代手機(jī)中的常見功能，這得益于基帶處理器對(duì)這些非通信協(xié)議的支持。

在通信協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)中，物理層位于最底層。因此，5G協(xié)議軟件物理層的設(shè)計(jì)必須具備先進(jìn)的基帶信號(hào)處理算法，以確保大規(guī)模MIMO、波束形成以及干擾抑制等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，4G與5G在物理層上的顯著差異也反映在手機(jī)協(xié)議軟件的功能上。

▲ 射頻處理模塊解析

射頻處理模塊，作為手機(jī)通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)接收和發(fā)送基帶信號(hào)。該模塊匯聚了射頻IC、前端模塊(FEM)、低噪聲放大器(LNA)、天線陣列以及各類傳感器等眾多組件。其中，射頻IC負(fù)責(zé)支持Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、GNSS等多種無線接入技術(shù)的信號(hào)共存需求。

在5G手機(jī)中，為了支持寬頻段通信，如毫米波段(FR2)、低于6 GHz波段以及低頻波段(FR1)，通常會(huì)配備不同的天線模塊。此外，射頻部分還集成了諸多傳感器，如接近傳感器、光傳感器、氣壓計(jì)等，以及用于特定功能的傳感器，如磁力計(jì)、加速度計(jì)等，它們共同為手機(jī)提供了豐富的感知能力。

當(dāng)我們撥通手機(jī)通話的那一刻，奇妙的信號(hào)之旅便悄然開啟。人的聲音通過手機(jī)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，此時(shí)產(chǎn)生的是模擬信號(hào)，可視為原始信號(hào)。在這個(gè)階段，通信的 “幕后英雄”—— 基帶，正式登上舞臺(tái)。基帶，英文為 Baseband，意即基本頻帶，是一段特殊的頻率帶寬，范圍處于零頻附近，從直流延伸至幾百 KHz。處于此頻帶的信號(hào)被稱作基帶信號(hào)，它是整個(gè)通信信號(hào)處理的基石。在實(shí)際應(yīng)用中，我們常提及的基帶，更多是指手機(jī)中的基帶芯片、電路，或是基站的基帶處理單元(即 BBU)。

原始的語音模擬信號(hào)會(huì)在基帶中經(jīng)歷關(guān)鍵的 AD 數(shù)模轉(zhuǎn)換過程，通過采樣、量化與編碼，實(shí)現(xiàn)從模擬到數(shù)字的華麗變身。其中，信源編碼發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它的任務(wù)是將聲音、畫面等信息轉(zhuǎn)化為 0 和 1 的數(shù)字形式，并且在轉(zhuǎn)換過程中盡可能地進(jìn)行壓縮，以減小數(shù)據(jù) “體積”。例如，對(duì)于音頻信號(hào)，常見的 PCM 編碼(脈沖編碼調(diào)制)、MP3 編碼等，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，3G WCDMA 采用的是 AMR 語音編碼;而對(duì)于視頻信號(hào)，MPEG - 4 編碼(MP4)、H.264、H.265 編碼則被廣泛應(yīng)用。

除了信源編碼，基帶還肩負(fù)著信道編碼的重任。信道編碼與信源編碼的目標(biāo)截然不同，它并非減少數(shù)據(jù)量，而是增加冗余信息，以此對(duì)抗信道中的干擾與衰減，提升鏈路性能。形象地說，信道編碼如同在貨物周邊填充保護(hù)泡沫，即便運(yùn)輸途中遭遇顛簸碰撞，也能降低貨物受損的概率。像在聯(lián)想投票事件中備受關(guān)注的 Turbo 碼、Polar 碼、LDPC 碼，以及廣為人知的卷積碼，都屬于信道編碼的范疇。此外，基帶還需對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密，確保通信內(nèi)容的安全性。

完成編碼與加密后，基帶的下一項(xiàng)工作是調(diào)制。調(diào)制的本質(zhì)，是讓信號(hào)能夠更有效地用 “波” 來表示 0 和 1。從最基礎(chǔ)的調(diào)頻(FM)、調(diào)幅(AM)、調(diào)相(PM)，到現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)衍生出的幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)，以及大名鼎鼎的正交幅度調(diào)制 QAM，調(diào)制方式不斷演進(jìn)。為了直觀展示這些調(diào)制方式，星座圖這一工具應(yīng)運(yùn)而生，星座圖中的點(diǎn)能夠精準(zhǔn)指示調(diào)制信號(hào)幅度與相位的各種可能狀態(tài)。以如今 5G 普遍采用的 256QAM 為例，一個(gè)符號(hào)便能表示 8bit 的數(shù)據(jù)，大大提升了信號(hào)的信息承載量。

當(dāng)基帶完成一系列復(fù)雜操作后，輪到射頻閃亮登場。射頻，英文名 Radio Frequency，簡稱 RF，從字面理解，即無線電頻率。嚴(yán)格來講，射頻指的是頻率范圍在 300KHz - 300GHz 的高頻電磁波。大家知道，電流通過導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場，交變電流則會(huì)形成電磁場并產(chǎn)生電磁波。頻率低于 100kHz 的電磁波會(huì)被地表吸收，無法實(shí)現(xiàn)有效傳輸;而高于 100kHz 的電磁波能夠在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，具備遠(yuǎn)距離傳輸能力，這類高頻電磁波便是我們所說的射頻(信號(hào))。在實(shí)際中，射頻通常涵蓋射頻電路、芯片、模組及元器件等產(chǎn)生射頻信號(hào)的一系列組件。

基帶處理后的信號(hào)頻率較低，射頻的首要任務(wù)便是對(duì)信號(hào)再次調(diào)制，將其從低頻提升至指定的高頻頻段，如 900MHz 的 GSM 頻段、1.9GHz 的 4G LTE 頻段、3.5GHz 的 5G 頻段等。射頻的這一操作具有多重意義，一方面，基帶信號(hào)本身不利于遠(yuǎn)距離傳輸;另一方面，無線頻譜資源緊張，低頻頻段大多已被其他用途占用，而高頻頻段資源相對(duì)豐富，更利于實(shí)現(xiàn)大帶寬;再者，只有調(diào)制到指定頻段，才能避免干擾他人，符合法規(guī)要求。從工程實(shí)現(xiàn)角度看，低頻信號(hào)也存在弊端，根據(jù)天線理論，當(dāng)天線長度為無線電信號(hào)波長的 1/4 時(shí)，天線的發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高，由于電磁波波長與頻率成正比，若使用低頻信號(hào)，手機(jī)和基站天線尺寸會(huì)過大，尤其對(duì)于空間寶貴的手機(jī)而言，大尺寸天線難以接受。

信號(hào)經(jīng) RF 射頻調(diào)制后功率較小，需經(jīng)過功率放大器放大，獲得足夠的射頻功率，再送往天線。到達(dá)天線后，信號(hào)會(huì)經(jīng)過濾波器濾波，去除干擾雜波，最后通過天線振子發(fā)射出去。當(dāng)基站天線接收到無線信號(hào)后，將執(zhí)行與發(fā)射過程相反的操作，即濾波、放大、解調(diào)、解碼，處理后的數(shù)據(jù)通過承載網(wǎng)傳輸至核心網(wǎng)，完成后續(xù)的數(shù)據(jù)傳遞與處理。

基帶與射頻在通信過程中各司其職，緊密協(xié)作，共同構(gòu)建起高效可靠的通信鏈路。盡管本文呈現(xiàn)的只是信號(hào)變化的大致過程，實(shí)際情況遠(yuǎn)比這復(fù)雜，還有中頻等諸多細(xì)節(jié)未詳細(xì)闡述，但通過此番介紹，相信大家對(duì)基帶與射頻有了更為清晰的認(rèn)識(shí)。在通信領(lǐng)域，理論與實(shí)際應(yīng)用往往存在差異，而不斷探索這些差異，正是推動(dòng)通信技術(shù)持續(xù)進(jìn)步的動(dòng)力源泉。

手機(jī)里的數(shù)據(jù)是怎么傳輸?shù)?

我們以打電話為例，當(dāng)你撥打了一個(gè)長途電話給一個(gè)素未謀面的陌生人，你說了一句，你好，我叫xxx，你是否會(huì)思考過，我們發(fā)出的聲音是怎么通過手機(jī)傳輸?shù)侥敲催h(yuǎn)的地方的呢?這一系列內(nèi)容，將會(huì)揭開無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳衩孛婕?。今天先簡單了解一下，手機(jī)與基站數(shù)據(jù)的相互傳輸。

手機(jī)里的數(shù)據(jù)是怎么傳輸?shù)交镜?

第一步：編碼過程

當(dāng)你打電話時(shí)，對(duì)著麥克風(fēng)說了一句話，我是xxx，此時(shí)麥克風(fēng)模組，就將我們的聲音(聲信號(hào))轉(zhuǎn)化為了電流信號(hào)(模擬信號(hào))，在我們的手機(jī)里有著一塊基帶芯片，稱為SoC芯片，負(fù)責(zé)處理手機(jī)與無線網(wǎng)絡(luò)之間的通信任務(wù)，集成了處理器、存儲(chǔ)器、解碼器等模塊。

電流信號(hào)傳遞到基帶芯片中時(shí)，基帶芯片會(huì)進(jìn)行采樣量化和編碼，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

對(duì)于音頻信號(hào)，我們常用的是PCM編碼和MP3編碼等。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，采用的是語音編碼。

對(duì)于視頻信號(hào)，常用的是MP4，還有H.264、H.265編碼等

以上的編碼我們稱之為信源編碼，同時(shí)為了減少傳輸時(shí)不可抗力造成的磨損，還對(duì)再對(duì)信道額外添加一個(gè)信道編碼。

第二步：調(diào)制過程

為了將我們的信息編碼能夠遠(yuǎn)距離傳播出去，還需要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，采用的方法有大致以下幾種：

頻分復(fù)用(FDM)：FDM允許在同一個(gè)物理信道上同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)占用不同的頻率范圍。這樣，多個(gè)用戶或服務(wù)可以在同一時(shí)間使用同一信道，而不會(huì)相互干擾。時(shí)分復(fù)用(TDM)：TDM是另一種多路復(fù)用技術(shù)，它將時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間片，不同的信號(hào)在不同的時(shí)間片內(nèi)傳輸。這種方法在數(shù)字通信中非常普遍，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)流的高效傳輸。碼分多址(CDMA)：CDMA使用獨(dú)特的編碼序列來區(qū)分不同的用戶，即使他們使用相同的頻率和時(shí)間資源。這種方法在無線通信中特別有用，可以提高頻譜的利用率。正交頻分復(fù)用(OFDM)：OFDM是一種高效的調(diào)制技術(shù)，它將數(shù)據(jù)流分割成多個(gè)并行的低速子流，每個(gè)子流在不同的子載波上進(jìn)行傳輸。由于子載波之間相互正交，所以即使在存在多徑效應(yīng)的環(huán)境中，也能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。第三步：射頻過程

射頻指的是頻率范圍在300KHz~300GHz的高頻電磁波，通常頻率低于100kHz的電磁波會(huì)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，并會(huì)通過大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn)距離傳輸能力。具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波，稱為射頻。

經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)會(huì)進(jìn)一步的傳輸?shù)缴漕l單元里面，繼續(xù)完成調(diào)制，這里的調(diào)制是將原有的信號(hào)頻率進(jìn)行放大處理，形成高頻電磁信號(hào)，比如1.9GHZ的4G LTE頻段，3.5GHZ的5G頻段，再進(jìn)行功率放大處理，這樣信號(hào)才能傳遞到天線，通過天線振子的振動(dòng)發(fā)射到大氣中，被基站接受。