我們的手機(jī)能夠打電話、上網(wǎng)，是因?yàn)槭謾C(jī)能夠發(fā)射或接收看不見的電磁波。電磁波的頻率范圍是非常寶貴的資源。在這篇文章中，我們將探究電磁頻譜是如此寶貴的資源的科學(xué)原因。

無論你什么時(shí)候使用手機(jī)，無論是上網(wǎng)還是打電話，你都是在通過電磁波發(fā)送或接收信息。這些電磁波被對(duì)應(yīng)的發(fā)射塔接收，傳送到目標(biāo)發(fā)射塔，最后到達(dá)終端用戶。

在蜂窩通信中，地理區(qū)域被劃分為不同的小區(qū)。蜂窩通信中的困難之處在于，如果一個(gè)小區(qū)中有五個(gè)用戶，則應(yīng)使用五個(gè)不同的頻率來傳輸其信號(hào)。

通過下面的例子來說明。

假設(shè)有三種不同顏色的球從一個(gè)像噴泉一樣的玩具中噴射出來，不同顏色的球應(yīng)該到達(dá)與它顏色相同的被子。在這種情況下，很難讓球和杯子的顏色相匹配。

但是，如果將特定的大小分配給特定的顏色，則可以輕松滿足上面的條件。

這正是我們?cè)诜涓C通訊中所做的。發(fā)射塔代替了噴泉，使用者代替了杯子。與擁有不同大小的球類似，我們確保每個(gè)用戶的頻率是惟一的。這樣，你的手機(jī)將只接受你的頻率分配給它的信號(hào)。所有其他頻率信號(hào)將被設(shè)備的濾波電路拒絕。這也意味著世界上每個(gè)活躍的用戶必須有一個(gè)獨(dú)特的頻率，否則你會(huì)收到別人的信號(hào)。

我們一直在說每個(gè)用戶都有一個(gè)獨(dú)特的頻率，其實(shí)準(zhǔn)確地說，應(yīng)該是一個(gè)頻率范圍。天線能夠?qū)⑿盘?hào)發(fā)送到頻率范圍或頻帶，你手機(jī)的濾波電路也允許有一個(gè)頻段。

此外，我們需要一種調(diào)制技術(shù)來傳輸任何信號(hào)。

如果我們使用頻率調(diào)制，我們需要兩個(gè)頻率來傳輸信號(hào)。較高的頻率可以表示1，較低的頻率可以表示0。

這可能會(huì)導(dǎo)致一些關(guān)于隱私的問題。如果一個(gè)黑客在他的設(shè)備中設(shè)置了我們的頻率并試圖訪問，會(huì)發(fā)生什么?然而，事情并沒有那么簡單。通過頻率發(fā)送的信號(hào)被加密保護(hù)，這意味著只有你的設(shè)備能夠解密它。

總的來說，世界上大約有50億手機(jī)用戶，由于各種各樣的原因，電磁波譜的整個(gè)頻率范圍對(duì)蜂窩通信是無用的，為每個(gè)用戶分配一個(gè)獨(dú)特的頻率范圍是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。

讓我們看看為什么頻帶是有限的原因，以及我們?nèi)绾问褂矛F(xiàn)代技術(shù)來克服這個(gè)問題。

電磁波譜的范圍從無線電波到伽馬射線。較高頻率的電磁輻射具有最差的穿透能力，所以我們不會(huì)將這些頻率用于蜂窩通信。較低頻率的電磁頻譜具有較低的能量，這將需要一個(gè)更大的天線傳輸，這實(shí)際上是不可能的設(shè)計(jì)。電磁波的傳播取決于電離層的性質(zhì)。由于所有這些限制，只有一小部分的電磁波譜被保留了下來。

在大多數(shù)國家，頻譜通常是由政府機(jī)構(gòu)管理的資源。政府通過拍賣等在公司之間分配頻譜的不同部分來賺錢。在美國，聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)和國家通信委員會(huì)(NTIA)這兩個(gè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)管理無線電頻譜，而在歐洲，EPT則負(fù)責(zé)管理無線電頻譜。在全球?qū)用?，國際電信聯(lián)盟(ITU)負(fù)責(zé)管理所有與光譜有關(guān)的技術(shù)事務(wù)。

我們?cè)陂_始時(shí)解釋的調(diào)頻已經(jīng)過時(shí)了。它被用于1G和模擬形式。在4G，一種叫做QAM的技術(shù)被使用，我們可以一次發(fā)送更多位。

讓我們看看它是如何工作的。

在QAM中，通過改變振幅和相位來產(chǎn)生不同的數(shù)字信號(hào)。

下面來舉一個(gè)758-802MHz使用的例子。我們已經(jīng)知道有限的頻率范圍可用于蜂窩通信，因此有必要有效地使用這些范圍。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，蜂窩系統(tǒng)將可用范圍劃分為若干個(gè)頻段，然后將這些頻段分配到幾個(gè)塔上。

這種分布的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)不同的發(fā)射塔使用相同的頻段，但是這里有一個(gè)問題，相鄰的發(fā)射塔不能分配相同的頻段。

這樣做是為了限制你的手機(jī)接收到鄰近信號(hào)塔的信號(hào)。因此，在通話期間，如果你移動(dòng)到相鄰的小區(qū)，你會(huì)被分配到與相鄰小區(qū)發(fā)射塔不同的頻率，而通話不會(huì)中斷。

下一個(gè)挑戰(zhàn)是同時(shí)管理單元區(qū)域內(nèi)的所有活動(dòng)用戶。

這里的發(fā)射塔頻率必須在幾個(gè)用戶之間共享，這一挑戰(zhàn)通過使用多種訪問技術(shù)中的一種來解決。這些多重訪問技術(shù)可以通過類比來理解。

想想100個(gè)音樂家是如何錄制一首歌的。他們可以在不同的房間或不同的時(shí)間或用不同的語言錄制。類似地，在蜂窩通信中，蜂窩基站和多個(gè)用戶可以共享信息通過不同的頻率或在不同的時(shí)隙或使用不同的編碼技術(shù)。

在蜂窩通信中，每一代都引入了不同的多址技術(shù)。這些技術(shù)的主要重點(diǎn)是有效地利用現(xiàn)有的頻譜。例如，4G產(chǎn)生了OFDM，而OFDM可用范圍被劃分為大量較小的子載波范圍。這些子載波在數(shù)學(xué)上是互相正交的，并且每一個(gè)子載波都是單獨(dú)調(diào)制的。

希望這篇文章能幫助你對(duì)什么是頻譜有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。