频谱的故事(1) 从甚低频到太赫兹辐射

2021-04-24 15:44:57

前言

从电报到5G通讯，实际上是个关于频谱的故事。100多年来，如何更有效率的利用频谱，如何在有限频谱中获得更高的传输率，成为无线通讯领域众多天才和企业巨头们持续攻克的目标。电话、电报、电视、网络、手机等深刻改变人类社会发展进程的发明，精确的折射出了人类掌握和使用频谱的能力。

关于频谱的利用，不仅充满了戏剧性，还闪现出了大量奇闻轶事。从517世界电信日到接下来的一段时间内，爱活频谱的故事连载，将会和大家探究人类是如何一步步从电报走向了5G时代。

频谱是什么？

频谱是自然界存在的物理量，无法增加也不会减少，因此显得极度珍贵。根据国际电信联盟定义，当人类可以识别使用的电磁波频率范围从3kHz~300GHz。为了方便表述，3kHz~300GHz的频段根据频率高低被分成了VLH（甚低频）、LF（低频）、MF（中频）、HF（高频）、VHF（甚高频）、UHF（超高频）、EHF（极高频）和THF（太赫兹辐射）共8个部分。

值得注意的是，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。通讯领域有句老话——”有线的资源是无限的，而无线的资源却是有限的。” 在特定频段下，所能实现的传输速率也不是无限的，它同样受到包括信噪比、信道带宽等客观物理条件的制约。就像就像城市道路上的车一样不能想开多快就开多快，还受到道路宽度、其他车辆数量等因素影响。过去的百年间，整个通讯行业都在不断挑战极限，希望能在有限的频谱资源下获得更高的传输率，又或者进一步利用更高频率的频谱资源。

甚低频VLF与低频LF（3KHz~300KHz ） ——无线应用的开端

和所有的物理量应用一样，人类在利用无线频谱上也是从低往高开始的。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。

对于科技玩家来说，近年来火热的电波对时手表所接受的电波也在此频段内。各种电波对时手表宣称的6局电波，实际上就是对应中国对时电波BPC的68.5KHz频率、日本对时电波JJY 40KHz/60KHz频率、北美地区对时电波WWVB 60KHz频率、欧洲对时电波MSF/DCF77 60KHz、77.5KHz频率共6个电波对时信号发射局，所以被称作6局电波。所以，不要以为频率低就没有高科技，再低的频率也是能派大用场的。

中频MF（300KHz~3MHz ）—— 广播电台与无线电导航的命脉

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。

高频HF（3MHz~30MHz ）—— 全球通讯的起点

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。

值得一提的是，我们熟悉的RFID、NFC实际上也工作在这个频率区间。其中NFC工作在13.56MHz，而RFID还额外使用27.12MHz。之所以选择这样的频段，并非是处于增加传输距离考虑，更多的是为了降低接收器和发射器的设计难度和制造成本。

关于高频，还有一个充满神秘色彩的被称作诡异电台MDZhB的故事——从上世纪70年代开始，全球的无线电爱好者都在462.5KHz收听到了一个神秘电台。这个电台在近40年时间里持续向外界发送单调的“嗡嗡声”，在某一天，刺耳的嗡嗡声突然消失了，取而代之的是冷冰冰的人声。“U-V-B-7-6”，一个浓重的俄罗斯口音读出了一系列代码。停顿了一下之后，嗡嗡声又响了起来。到了2002年前后，该呼号改为“MDZhB”。时至今日，你依然能通过收音机接收这个神秘电台，而关于这个电台的具体用途和到底广播的是什么内容的争论，过去40多年来从未停止。

VHF甚高频（30MHz-300MHz）——迎接电视时代

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。

UHF特高频（300MHz~3GHz）——数字通讯主干道

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。

为啥家里WiFi不用许可？因为各国在该频段内还定义了非授权频段——只要设备功率不超过法定规范，使用2.4GHz频段无需国家许可。现在你知道为啥WiFi、蓝牙等都喜欢扎堆2.4GHz了吧？有意思的是，微波炉也工作在2450MHz，所以也是一个非授权频段设备——在所有微波炉说明书上都有关于无线电干扰的说明，大致意思是不要将微波炉和WIFi路由器、电视等设备放在一起，否则可能会有干扰。

SHF超高频（3GHz~30GHz）—— 高速传输标配

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。

至于广为人知的5G通讯标准，除了5G工作在原有LTE网络2.4GHz频段之前，还加入28GHz mmWave毫米波子集，以确保5G时代所制定的超高速传输率能得以实现。最先宣布量产的高通X50 Modem就能在28GHz频段下实现5Gbps的下载速度，这个速度几乎是现阶段LTE网络的10倍！

EHF极高频（30~300GHz ）—— 无线新征途

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。

THF太赫兹辐射（300GHz~3THz ）—— 下一片天空

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。