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从电报到5G通讯 细数无线电频谱发展史

2023-01-31 16:17:28     来源:来源:爱活网

从莫尔斯代码到5G通讯,实际上就是一部人类征服更高频段,以获得更大带宽的故事。在这个过程中,众多难关被相继克服,大量的频谱被成功开发利用,最终实现了今天的便利生活。


一句话总结,从电报到5G通讯,实际上是个关于频谱的故事。



频谱是自然界存在的物理量,当前人类可以识别使用的电磁波频率范围从3kHz~300GHz。根据国际电信联盟定义,3kHz~300GHz的频段根据频率高低被分成了THF(太赫兹辐射)、EHF(极高频)、UHF(超高频)、VHF(甚高频)、HF(高频)、MF(中频)、LF(低频)和VLH(甚低频)共8个部分。在一般情况下,频率越高穿透力越差。而频率越低所能提供的带宽越小。



THF太赫兹辐射(300GHz~3THz)


太赫兹辐射的波长为0.3~3THz (1THz=10^12Hz),上接EHF,下接红外线。该频段的电磁波已经具有了光波的种种特性,以至于THF可以像射线一样对物体进行扫描,虽然成像质量不如X射线,但是它对于物体并没有放射性作用。THF频段与之前其他频段截然不同的特性,让THF被应用在了成像、安全方面。反倒是在通讯上并没有太多的突破。在美国本土机场使用的全身扫描仪,就基于太赫兹辐射原理。


EHF极高频(30~300GHz)

在下一代WiFi标准802.11ad中直接选用了60GHz频段从而实现最大7Gbps的传输率——不要以为802.11ad距离我们很远,实际上在高通骁龙835的基带中已经加入了对802.11ad标准的支持。首款支持802.11ad标准的家用路由器Netgear Nighthawk AD7200,也已经上市了许久。

在802.11ad问世之前,Wireless HDMI标准通过60GHz频段实现了HDMI信号10米内的无线传输,而曾经热门技术Wireless USB所使用的UWB(超宽带)也同样在极高频下。尽管极高频有众多的限制,但绝对是无线通讯的又一个征途。要想实现超过10Gbps的无线通讯,就一定要充分掌握和利用EHF极高频。


SHF超高频(3GHz~30GHz)


大量的无线通讯工作在UHF频段导致了整个频段非常拥挤,因此要进一步提升传输速率,除了在调制方法和编码上获得突破之外,就只用采用更高的频段才行。从802.11n开始5GHz非授权频段就被用来实现千兆以上的WiFi速度。到了802.11ac,5GHz下更是可以实现1700Mbps的传输速度以及MU-MIMO功能,大幅提升WiFI的传输速度和承载能力。由于5GHz非授权频段带宽很大,因此在4G LTE演进中,高通还提出了授权辅助接入技术(LAA),让4G、5G网络也能借助非授权频段进一步提升传输率和承载能力。



UHF特高频(300MHz~3GHz)


GSM、WCDMA、WiFI、蓝牙、GPS,你所知道的绝大部分数字无线通讯技术,都在此区间内。由于该频段应用非常密集,因此世界各国都采取了授权形式严格规范使用。该频段的国家授权许可很多时候以手机运营商牌照等形式发放。你所知道的LTE Band 1234567,实际上就是该频谱区间中每个频段的代号,不同的国家批准使用的频段不同,所以需要针对每个频段进行优化和设计。手机调制解调器一直说的全网通,实际上就是指的对不同频段、不同网络制式的支持。


VHF甚高频(30MHz-300MHz)


从低频到高频,我们掌握了在全球范围内传输声音和信息的方法,接下来,当然是要能实现双向沟通,最好还能看到画面。于是VHF甚高频被开发和利用。在这个频段内,FM广播、对讲机、BP寻呼机、无绳电话,无线电视纷纷登场,让普通民众第一次感受到了无线通讯的魅力,这些产品的普及也深刻的影响了社会发展。除了普通民众熟知的广播、电视,VHF还肩负了国际海事通讯、航空导航、航空地面ATC通讯等。


高频HF(3MHz~30MHz)


在无线电广播领域,把高频称之为短波。由于高频可以通过电离层反射实现超远距离的传输而不需要发射站有极高攻略,所以在高频区间人类首次实现了覆盖全球的广播电台以及覆盖全球的通讯电台。毫不夸张的说,从高频开始,人类才第一次拥有全球无线电通讯能力。


除了国际电台等使用高频,众多军事通讯保密通讯也大多使用这个频段。二战时期众多无线电加密和通讯的谍战故事,都在高频区间展开。另一方面,ITU(国际电信联盟)为了感谢无线电爱好者的贡献,还专门规划了业余频率供无线电爱好者使用而不需要经过相关机构审批和授权。


中频MF(300KHz~3MHz)


如果你经常听广播电台,就一定会发现很多的广播电台都会说中波XXX这样的频率,这里所谓的中波,其实就是中频的意思。在人类成功掌握和使用甚低频和低频之后,发现无线电波还能传输声音等信息。于是中频就成了最初区域电台的首选频段。我国规定中波广播频段为525-1605KHz,间隔9KHz,所有的中波电台都必须符合此规定。除了广播,中波还用于许多导航系统。如今民航使用的进程导航系统NDB也基于这一频率区间。



甚低频VLF与低频LF(3KHz~300KHz) 


在国际电信联盟的定义中,3KHz~300KHz被称作甚低频和低频,这个频段极强的穿透力,波长动辄数十千米,因此可以轻易覆盖整个地球范围,因此最初就被用于航空、航海的导航。众多民航客机、轮船都通过VLF频段进行导航和管理,在这个频段上还有潜艇使用的声纳系统等。


同时通信的发展促使技术演进步伐加快,要求不断提高产品性能和速度,同时保持全面灵活性,推动测试解决方案快速推广。


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