關(guān)于頻譜的利用，不僅充滿了戲劇性，還閃現(xiàn)出了大量奇聞軼事。愛活頻譜的故事連載，將會(huì)和大家探究人類是如何一步步從電報(bào)走向了5G時(shí)代。

 

 

頻譜是自然界存在的物理量，無法增加也不會(huì)減少，因此顯得極度珍貴。根據(jù)國際電信聯(lián)盟定義，當(dāng)人類可以識(shí)別使用的電磁波頻率范圍從3kHz~300GHz。為了方便表述，3kHz~300GHz的頻段根據(jù)頻率高低被分成了VLH（甚低頻）、LF（低頻）、MF（中頻）、HF（高頻）、VHF（甚高頻）、UHF（超高頻）、EHF（極高頻）和THF（太赫茲輻射）共8個(gè)部分。

 

 

值得注意的是，在一般情況下，頻率越高穿透力越差。而頻率越低所能提供的帶寬越小。通訊領(lǐng)域有句老話——“有線的資源是無限的，而無線的資源卻是有限的。” 在特定頻段下，所能實(shí)現(xiàn)的傳輸速率也不是無限的，它同樣受到包括信噪比、信道帶寬等客觀物理?xiàng)l件的制約。就像就像城市道路上的車一樣不能想開多快就開多快，還受到道路寬度、其他車輛數(shù)量等因素影響。過去的百年間，整個(gè)通訊行業(yè)都在不斷挑戰(zhàn)極限，希望能在有限的頻譜資源下獲得更高的傳輸率，又或者進(jìn)一步利用更高頻率的頻譜資源。

 

 

 

和所有的物理量應(yīng)用一樣，人類在利用無線頻譜上也是從低往高開始的。在國際電信聯(lián)盟的定義中，3KHz~300KHz被稱作甚低頻和低頻，這個(gè)頻段極強(qiáng)的穿透力，波長動(dòng)輒數(shù)十千米，因此可以輕易覆蓋整個(gè)地球范圍，因此最初就被用于航空、航海的導(dǎo)航。眾多民航客機(jī)、輪船都通過VLF頻段進(jìn)行導(dǎo)航和管理，在這個(gè)頻段上還有潛艇使用的聲納系統(tǒng)等。

 

 

對于科技玩家來說，近年來火熱的電波對時(shí)手表所接受的電波也在此頻段內(nèi)。各種電波對時(shí)手表宣稱的6局電波，實(shí)際上就是對應(yīng)中國對時(shí)電波BPC的68.5KHz頻率、日本對時(shí)電波JJY 40KHz/60KHz頻率、北美地區(qū)對時(shí)電波WWVB 60KHz頻率、歐洲對時(shí)電波MSF/DCF77 60KHz、77.5KHz頻率共6個(gè)電波對時(shí)信號(hào)發(fā)射局，所以被稱作6局電波。所以，不要以為頻率低就沒有高科技，再低的頻率也是能派大用場的。

 

 

如果你經(jīng)常聽廣播電臺(tái)，就一定會(huì)發(fā)現(xiàn)很多的廣播電臺(tái)都會(huì)說中波XXX這樣的頻率，這里所謂的中波，其實(shí)就是中頻的意思。在人類成功掌握和使用甚低頻和低頻之后，發(fā)現(xiàn)無線電波還能傳輸聲音等信息。于是中頻就成了最初區(qū)域電臺(tái)的首選頻段。我國規(guī)定中波廣播頻段為525-1605KHz，間隔9KHz，所有的中波電臺(tái)都必須符合此規(guī)定。

 

 

除了廣播，中波還用于許多導(dǎo)航系統(tǒng)。如今民航使用的進(jìn)程導(dǎo)航系統(tǒng)NDB也基于這一頻率區(qū)間。

 

 

在無線電廣播領(lǐng)域，把高頻稱之為短波。由于高頻可以通過電離層反射實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的傳輸而不需要發(fā)射站有極高攻略，所以在高頻區(qū)間人類首次實(shí)現(xiàn)了覆蓋全球的廣播電臺(tái)以及覆蓋全球的通訊電臺(tái)。毫不夸張的說，從高頻開始，人類才第一次擁有全球無線電通訊能力。

 

除了國際電臺(tái)等使用高頻，眾多軍事通訊保密通訊也大多使用這個(gè)頻段。二戰(zhàn)時(shí)期眾多無線電加密和通訊的諜戰(zhàn)故事，都在高頻區(qū)間展開。另一方面，ITU（國際電信聯(lián)盟）為了感謝無線電愛好者的貢獻(xiàn)，還專門規(guī)劃了業(yè)余頻率供無線電愛好者使用而不需要經(jīng)過相關(guān)機(jī)構(gòu)審批和授權(quán)。

 

 

值得一提的是，我們熟悉的RFID、NFC實(shí)際上也工作在這個(gè)頻率區(qū)間。其中NFC工作在13.56MHz，而RFID還額外使用27.12MHz。之所以選擇這樣的頻段，并非是處于增加傳輸距離考慮，更多的是為了降低接收器和發(fā)射器的設(shè)計(jì)難度和制造成本。

 

 

關(guān)于高頻，還有一個(gè)充滿神秘色彩的被稱作詭異電臺(tái)MDZhB的故事——從上世紀(jì)70年代開始，全球的無線電愛好者都在462.5KHz收聽到了一個(gè)神秘電臺(tái)。這個(gè)電臺(tái)在近40年時(shí)間里持續(xù)向外界發(fā)送單調(diào)的“嗡嗡聲”， 在某一天，刺耳的嗡嗡聲突然消失了，取而代之的是冷冰冰的人聲。“U-V-B-7-6”，一個(gè)濃重的俄羅斯口音讀出了一系列代碼。停頓了一下之后，嗡嗡聲又響了起來。到了2002年前后，該呼號(hào)改為“MDZhB”。時(shí)至今日，你依然能通過收音機(jī)接收這個(gè)神秘電臺(tái)，而關(guān)于這個(gè)電臺(tái)的具體用途和到底廣播的是什么內(nèi)容的爭論，過去40多年來從未停止。

 

 

從低頻到高頻，我們掌握了在全球范圍內(nèi)傳輸聲音和信息的方法，接下來，當(dāng)然是要能實(shí)現(xiàn)雙向溝通，最好還能看到畫面。于是VHF甚高頻被開發(fā)和利用。在這個(gè)頻段內(nèi)，F(xiàn)M廣播、對講機(jī)、BP尋呼機(jī)、無繩電話，無線電視紛紛登場，讓普通民眾第一次感受到了無線通訊的魅力，這些產(chǎn)品的普及也深刻的影響了社會(huì)發(fā)展。

 

 

除了普通民眾熟知的廣播、電視，VHF還肩負(fù)了國際海事通訊、航空導(dǎo)航、航空地面ATC通訊等。

 

 

 

GSM、WCDMA、WiFI、藍(lán)牙、GPS，你所知道的絕大部分?jǐn)?shù)字無線通訊技術(shù)，都在此區(qū)間內(nèi)。由于該頻段應(yīng)用非常密集，因此世界各國都采取了授權(quán)形式嚴(yán)格規(guī)范使用。該頻段的國家授權(quán)許可很多時(shí)候以手機(jī)運(yùn)營商牌照等形式發(fā)放。你所知道的LTE Band 1234567，實(shí)際上就是該頻譜區(qū)間中每個(gè)頻段的代號(hào)，不同的國家批準(zhǔn)使用的頻段不同，所以需要針對每個(gè)頻段進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)。手機(jī)調(diào)制解調(diào)器一直說的全網(wǎng)通，實(shí)際上就是指的對不同頻段、不同網(wǎng)絡(luò)制式的支持。

 

 

為啥家里WiFi不用許可？因?yàn)楦鲊谠擃l段內(nèi)還定義了非授權(quán)頻段——只要設(shè)備功率不超過法定規(guī)范，使用2.4GHz頻段無需國家許可?，F(xiàn)在你知道為啥WiFi、藍(lán)牙等都喜歡扎堆2.4GHz了吧？有意思的是，微波爐也工作在2450MHz，所以也是一個(gè)非授權(quán)頻段設(shè)備——在所有微波爐說明書上都有關(guān)于無線電干擾的說明，大致意思是不要將微波爐和WIFi路由器、電視等設(shè)備放在一起，否則可能會(huì)有干擾。

 

 

大量的無線通訊工作在UHF頻段導(dǎo)致了整個(gè)頻段非常擁擠，因此要進(jìn)一步提升傳輸速率，除了在調(diào)制方法和編碼上獲得突破之外，就只用采用更高的頻段才行。從802.11n開始5GHz非授權(quán)頻段就被用來實(shí)現(xiàn)千兆以上的WiFi速度。到了802.11ac，5GHz下更是可以實(shí)現(xiàn)1700Mbps的傳輸速度以及MU-MIMO功能，大幅提升WiFI的傳輸速度和承載能力。由于5GHz非授權(quán)頻段帶寬很大，因此在4G LTE演進(jìn)中，高通還提出了授權(quán)輔助接入技術(shù)（LAA），讓4G、5G網(wǎng)絡(luò)也能借助非授權(quán)頻段進(jìn)一步提升傳輸率和承載能力。

 

 

至于廣為人知的5G通訊標(biāo)準(zhǔn)，除了5G工作在原有LTE網(wǎng)絡(luò)2.4GHz頻段之前，還加入28GHz mmWave毫米波子集，以確保5G時(shí)代所制定的超高速傳輸率能得以實(shí)現(xiàn)。最先宣布量產(chǎn)的高通X50 Modem就能在28GHz頻段下實(shí)現(xiàn)5Gbps的下載速度，這個(gè)速度幾乎是現(xiàn)階段LTE網(wǎng)絡(luò)的10倍！

 

 

在下一代WiFi標(biāo)準(zhǔn)802.11ad中直接選用了60GHz頻段從而實(shí)現(xiàn)最大7Gbps的傳輸率——不要以為802.11ad距離我們很遠(yuǎn)，實(shí)際上在高通驍龍835的基帶中已經(jīng)加入了對802.11ad標(biāo)準(zhǔn)的支持。首款支持802.11ad標(biāo)準(zhǔn)的家用路由器Netgear Nighthawk AD7200，也已經(jīng)上市了許久。

 

 

在802.11ad問世之前，Wireless HDMI標(biāo)準(zhǔn)通過60GHz頻段實(shí)現(xiàn)了HDMI信號(hào)10米內(nèi)的無線傳輸，而曾經(jīng)熱門技術(shù)Wireless USB所使用的UWB（超寬帶）也同樣在極高頻下。盡管極高頻有眾多的限制，但絕對是無線通訊的又一個(gè)征途。要想實(shí)現(xiàn)超過10Gbps的無線通訊，就一定要充分掌握和利用EHF極高頻。

 

 

太赫茲輻射的波長為0.3~3THz （1THz=10^12Hz），上接EHF，下接紅外線。該頻段的電磁波已經(jīng)具有了光波的種種特性，以至于THF可以像射線一樣對物體進(jìn)行掃描，雖然成像質(zhì)量不如X射線，但是它對于物體并沒有放射性作用。

 

 

THF頻段與之前其他頻段截然不同的特性，讓THF被應(yīng)用在了成像、安全方面。反倒是在通訊上并沒有太多的突破。在美國本土機(jī)場使用的全身掃描儀，就基于太赫茲輻射原理。

 

 

從莫爾斯代碼到5G通訊，實(shí)際上就是一部人類征服更高頻段，以獲得更大帶寬的故事。在這個(gè)過程中，眾多難關(guān)被相繼克服，大量的頻譜被成功開發(fā)利用，最終實(shí)現(xiàn)了今天的便利生活。

 

 

縱觀整個(gè)頻譜的故事我們不難發(fā)現(xiàn)，每次人類學(xué)會(huì)利用一個(gè)新波段，都會(huì)深刻的改變當(dāng)時(shí)的生活和社會(huì)結(jié)構(gòu)。在我們有生之年，人類能否掌握利用THF頻段進(jìn)行通訊？引力波是否會(huì)讓電磁波走入歷史？我們拭目以待。

 

上文的故事中，我們已經(jīng)為各位講述了從甚低頻到太赫茲輻射的種種奇聞軼事，而今天，我們要回歸到我們更為熟悉的領(lǐng)域，為各位揭開短短幾十年中，模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的通訊轉(zhuǎn)變，從中也記錄下了人類如何走向5G時(shí)代的故事。

 

 

 

19世紀(jì)電報(bào)的發(fā)明，第一次將人類的信息傳遞速率提升至每秒30萬公里，遠(yuǎn)隔七大洲五大洋的各國民族在巴別通天塔倒下后，終于有了重新交匯的可能。但誰也不會(huì)想到，短短的二十多年后，亞歷山大貝爾在送話筒中喊出的第一句求助語句，會(huì)成為開啟全球通訊革命的起點(diǎn)，有線電話從此應(yīng)運(yùn)而生，遠(yuǎn)隔千里之外也能讓對話即時(shí)回蕩耳畔。

 

 

幾乎就在電話發(fā)明的100年之后的1986年，世界第一套商用移動(dòng)通訊系統(tǒng)在芝加哥誕生，其采用模擬信號(hào)傳輸，將介于300Hz到3400Hz的語音轉(zhuǎn)換到高頻的載波頻率MHz上，從而實(shí)現(xiàn)語音傳輸。至此，人類正式邁入即時(shí)語音通訊的時(shí)代，隨時(shí)隨地拿出拉風(fēng)的大哥大撥打電話成了那個(gè)時(shí)代的標(biāo)志。

 

 

然而模擬通信的弊端也非常明顯，由于用戶線上傳送的電信號(hào)是隨著用戶聲音大小的變化而變化的，而這個(gè)變化的電信號(hào)無論在時(shí)間上或是在幅度上都是連續(xù)的，因此模擬信號(hào)對于頻譜的利用率極低，并且容易受到外界干擾，經(jīng)常會(huì)遇到串號(hào)或是盜號(hào)的問題。

 

更為重要的是，以當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，大哥大所采用的天線技術(shù)和模擬信號(hào)處理技術(shù)水平直接決定了產(chǎn)品的好壞，在厚重電池和長天線的影響下，大哥大丑陋的磚塊外觀不但不方便攜帶，續(xù)航和信號(hào)都不容樂觀，用戶常常需要在高處尋找信號(hào)。

 

 

雖然模擬時(shí)代的通信需要花費(fèi)高額的成本，但妙不可言的通話體驗(yàn)卻吸引了一大批擁躉，而別著急，GSM時(shí)代即將來臨，他將正式開啟移動(dòng)通信的2G時(shí)代！

 

 

GSM全名為Global System for Mobile Communications，作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)，它最初的開發(fā)目的就是讓全球各地均可以使用同一個(gè)移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)，甚至讓用戶手持一部終端就能在全球任意區(qū)域使用。

 

 

相比第一代模擬信號(hào)通信，GSM的數(shù)字通信信號(hào)是一種離散的、脈沖有無的組合形式，是負(fù)載數(shù)字信息的信號(hào)，因此GSM系統(tǒng)擁有出色的頻譜利用率，同時(shí)每個(gè)信道的傳輸帶寬也有所增加。反映到實(shí)際應(yīng)用中，基于數(shù)字傳輸和更高語音編碼的啟用，GSM時(shí)代的信號(hào)強(qiáng)度和通話質(zhì)量有了突飛猛進(jìn)的提高，以往拿著手機(jī)到處尋找信號(hào)的情況一去不復(fù)返。

 

 

同時(shí)，更高的傳輸帶寬也首次為手機(jī)帶來了數(shù)據(jù)傳輸能力，雖然它的傳輸速率最初只有可憐的每秒9.6-14.4Kbit，但卻已經(jīng)足夠滿足文字傳輸?shù)男枨?，而這正是短信功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

 

GSM標(biāo)準(zhǔn)所引領(lǐng)的2G時(shí)代，也是全球移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)爭奪戰(zhàn)的開始。在GSM普及后，在歐洲以諾基亞和愛立信為首的手機(jī)產(chǎn)品開始攻占美國和日本市場，它們的售價(jià)不僅變得更為低廉，體積更是小到足夠塞入口袋，因此僅僅不到10年之后，諾基亞就憑借塞班智能手機(jī)成為全球最大的手機(jī)制造商。

 

 

 

隨著用戶對于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需求的不斷加大，原先緩慢的GSM網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不足以承載，因此第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的建立已經(jīng)箭在弦上，于是乎我們熟知的WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA應(yīng)運(yùn)而生。

 

事實(shí)上關(guān)于3G網(wǎng)絡(luò)的誕生，還有個(gè)眾所周知的小故事。1940年，第二次世界大戰(zhàn)在歐洲戰(zhàn)場打得如火如荼，美國女演員海蒂拉瑪和她的作曲家丈夫?yàn)榱藥椭绹姺街圃斐瞿軌虻挚辜{粹德國電波干擾以及竊聽的通信技術(shù)，首次提出了擴(kuò)頻以及跳頻技術(shù)概念，并在隨后獲得了相關(guān)專利。不過隨著二戰(zhàn)的結(jié)束，海蒂拉瑪?shù)难芯恐鸩绞チ塑娛乱饬x，但她絕沒有想到，這兩項(xiàng)劃時(shí)代意義的技術(shù)成果會(huì)成為半個(gè)世紀(jì)后徹底改變整個(gè)世界。

 

 

在1985年，當(dāng)時(shí)美國一家名不見經(jīng)傳的小公司基于擴(kuò)頻以及跳頻技術(shù)開發(fā)出了一項(xiàng)名為CDMA的新通訊技術(shù)。在2G時(shí)代，CDMA被GSM標(biāo)準(zhǔn)壓制淪為配角，但它卻間接成為了3G技術(shù)的基礎(chǔ)原理，后續(xù)的三大3G標(biāo)準(zhǔn)都受惠于此。而這家當(dāng)時(shí)名不見經(jīng)傳的小公司正是如今大名鼎鼎的美國高通公司。

 

 

無論是WCDMA、CDMA200還是TD-SCDMA都以高速數(shù)字通訊為賣點(diǎn)，其中WCDMA演進(jìn)的HSPA+網(wǎng)絡(luò)甚至將下行速率提升至42Mbps，這意味著手機(jī)的高速網(wǎng)絡(luò)時(shí)代正式開啟。不過以現(xiàn)在的眼光來看，HSPA+網(wǎng)絡(luò)無疑還不足以滿足人類追求高速的胃口，因此在尋求更快的道路上，人類又往前前進(jìn)了一大步。

 

 

LTE的出現(xiàn)，足以令有線連接汗顏，最高100Mbps的下載速率比撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍，也令我們以往暢想的高清視頻通話、在線超清視頻播放成為了可能。但4G時(shí)代，移動(dòng)通信所帶來的變化更在于通信全球化的實(shí)現(xiàn)，早在2G時(shí)代就提出的全球全網(wǎng)通終于不再是一句空口言，不管是TDD還是FDD已經(jīng)不再重要，因?yàn)槲覀兘K于迎來了一個(gè)全球漫游的時(shí)代。

 

 

這樣的成果自然離不開技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)以及技術(shù)廠商的努力，高通無疑功不可沒。在4G時(shí)代，以高通驍龍移動(dòng)平臺(tái)為硬件基礎(chǔ)，OEM廠商能夠輕松生產(chǎn)出能夠符合全球運(yùn)營商LTE標(biāo)準(zhǔn)的智能手機(jī)。比如最新高通驍龍835移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)置的X16 LTE調(diào)制解調(diào)器為例，它不僅實(shí)現(xiàn)了LTE-TDD、LTE-FDD、TD-SCDMA、WCDMA、GSM、CDMA在內(nèi)的全模兼容，更通吃全球所有頻段，并提供VoLTE高清通話功能。

 

同時(shí)，4G時(shí)代LTE作為演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，也正迫不及待把我們導(dǎo)向5G時(shí)代，基于更多載波聚合的實(shí)現(xiàn)，如今高通X16 LTE調(diào)制解調(diào)器以及最新X20 LTE調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最高1Gbps下行傳輸（X20 LTE為1.2Gbps），其中，驍龍X20 LTE調(diào)制解調(diào)器能做到新的頻段分配方式，主要是因?yàn)樗鼘Ψ鞘跈?quán)LTE頻段的靈活利用——這是一塊支持LAA特性（授權(quán)輔助通信）的調(diào)制解調(diào)器，在已有的5x載波聚合支持提下，X20 LTE 調(diào)制解調(diào)器可以允許運(yùn)營商只調(diào)用10MHz資源便可啟動(dòng)Gbps級(jí)別的LTE服務(wù)，而且還繼續(xù)擴(kuò)大了支持頻段的范圍，讓這種資源聚合和分配的靈活性進(jìn)一步提升。

 

 

對于這種普通用戶而言，4G的普及大幅降低了流量價(jià)格，讓手機(jī)看視頻，視頻通話稀松平常，深刻的改變了我們的生活。

 

 

人類對于速度的追求永無止盡，4G時(shí)代剛剛抵達(dá)千兆速率，但以數(shù)千兆速率為目標(biāo)的5G時(shí)代也已經(jīng)上路，高通已經(jīng)先人一步宣布了5G NR，并確定將在2017年下半年正式向合作伙伴提供全球首個(gè)支持5G標(biāo)準(zhǔn)的X50調(diào)制解調(diào)器，它將采用支持自適應(yīng)波束成形和波束追蹤技術(shù)的多輸入多輸出（MIMO）天線技術(shù)，在非視距（NLOS）環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)的移動(dòng)寬帶通信，最高可以實(shí)現(xiàn)驚人的5Gbps下行速率。

 

 

同時(shí)，5G時(shí)代所呈現(xiàn)的低時(shí)延、高可靠、低功耗的特點(diǎn)，也將有效的為車聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)帶來新的爆發(fā)點(diǎn)，萬物互聯(lián)也將不再是一句空話。

 

 

 

 

從貝爾打出人類的第一個(gè)電話，到如今即將實(shí)現(xiàn)的5G時(shí)代，整個(gè)過程就像是工業(yè)時(shí)代轉(zhuǎn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的縮影，從2G時(shí)代開始，幾乎每10年我們就會(huì)迎來速率提升的新浪潮，它們都徹底改變了我們的生活方式。相信在不久的將來，5G時(shí)代也將成為行業(yè)的下一個(gè)拐點(diǎn)，讓我們拭目以待！