從模擬信號到5G的頻譜故事

愛活網 06月02日 08:12 關注 確定不再關注此人嗎 確定取消

前言：

從電報到5G通訊，實際上是個關于頻譜的故事，100多年來，如何更有效率的利用頻譜，如何在有限頻譜中獲得更高的傳輸率，成為無線通訊領域眾多天才和企業巨頭們持續攻克的目標。電話、電報、電視、網絡、手機等深刻改變人類社會發展進程的發明，精確的折射出了人類掌握和使用頻譜的能力。

今天，我們要回歸到我們更為熟悉的領域，為各位揭開短短幾十年中，模擬信號到數字信號的通訊轉變，從中也記錄下了人類如何走向5G時代的故事。

模擬通訊時代：隨地通話的奇妙與哀愁

19世紀電報的發明，第一次將人類的信息傳遞速率提升至每秒30萬公里，遠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，會成為開啟全球通訊革命的起點，有線電話從此應運而生，遠隔千里之外也能讓對話即時回蕩耳畔。

幾乎就在電話發明的100年之后的1986年，世界第一套商用移動通訊系統在芝加哥誕生，其采用模擬信號傳輸，將介于300Hz到3400Hz的語音轉換到高頻的載波頻率MHz上，從而實現語音傳輸。至此，人類正式邁入即時語音通訊的時代，隨時隨地拿出拉風的大哥大撥打電話成了那個時代的標志。

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是隨著用戶聲音大小的變化而變化的，而這個變化的電信號無論在時間上或是在幅度上都是連續的，因此模擬信號對于頻譜的利用率極低，并且容易受到外界干擾，經常會遇到串號或是盜號的問題。

更為重要的是，以當時的技術水平，大哥大所采用的天線技術和模擬信號處理技術水平直接決定了產品的好壞，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，續航和信號都不容樂觀，用戶常常需要在高處尋找信號。

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

GSM一統天下：短信登上歷史舞臺！

GSM全名為Global System for Mobile Communications，作為第二代移動通信技術，它最初的開發目的就是讓全球各地均可以使用同一個移動電話標準，甚至讓用戶手持一部終端就能在全球任意區域使用。

相比第一代模擬信號通信，GSM的數字通信信號是一種離散的、脈沖有無的組合形式，是負載數字信息的信號，因此GSM系統擁有出色的頻譜利用率，同時每個信道的傳輸帶寬也有所增加。反映到實際應用中，基于數字傳輸和更高語音編碼的啟用，GSM時代的信號強度和通話質量有了突飛猛進的提高，以往拿著手機到處尋找信號的情況一去不復返。

同時，更高的傳輸帶寬也首次為手機帶來了數據傳輸能力，雖然它的傳輸速率最初只有可憐的每秒9.6-14.4Kbit，但卻已經足夠滿足文字傳輸的需求，而這正是短信功能實現的基礎。

GSM標準所引領的2G時代，也是全球移動通信標準爭奪戰的開始。在GSM普及后，在歐洲以諾基亞和愛立信為首的手機產品開始攻占美國和日本市場，它們的售價不僅變得更為低廉，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成為全球最大的手機制造商。

3G迎來無線浪潮：移動互聯網成為可能

隨著用戶對于移動網絡需求的不斷加大，原先緩慢的GSM網絡已經不足以承載，因此第三代移動通信網絡標準的建立已經箭在弦上，于是乎我們熟知的WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA應運而生。

事實上關于3G網絡的誕生，還有個眾所周知的小故事。1940年，第二次世界大戰在歐洲戰場打得如火如荼，美國女演員海蒂拉瑪和她的作曲家丈夫為了幫助美國軍方制造出能夠抵抗納粹德國電波干擾以及竊聽的通信技術，首次提出了擴頻以及跳頻技術概念，并在隨后獲得了相關專利。不過隨著二戰的結束，海蒂拉瑪的研究逐步失去了軍事意義，但她絕沒有想到，這兩項劃時代意義的技術成果會成為半個世紀后徹底改變整個世界。

在1985年，當時美國一家名不見經傳的小公司基于擴頻以及跳頻技術開發出了一項名為CMDA的新通訊技術。在2G時代，CMDA被GSM標準壓制淪為配角，但它卻間接成為了3G技術的基礎原理，后續的三大3G標準都受惠于此。而這家當時名不見經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都以高速數字通訊為賣點，其中WCDMA演進的HSPA+網絡甚至將下行速率提升至42Mbps，這意味著手機的高速網絡時代正式開啟。不過以現在的眼光來看，HSPA+網絡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，人類又往前前進了一大步。

4G實現融合創新：全球漫游時代來臨

LTE的出現，足以令有線連接汗顏，最高100Mbps的下載速率比撥號上網快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時代，移動通信所帶來的變化更在于通信全球化的實現，早在2G時代就提出的全球全網通終于不再是一句空口言，不管是TDD還是FDD已經不再重要，因為我們終于迎來了一個全球漫游的時代。

這樣的成果自然離不開技術標準的演進以及技術廠商的努力，高通無疑功不可沒。在4G時代，以高通驍龍移動平臺為硬件基礎，OEM廠商能夠輕松生產出能夠符合全球運營商LTE標準的智能手機。比如最新高通驍龍835移動平臺內置的X16 LTE調制解調器為例，它不僅實現了LTE-TDD、LTE-FDD、TD-SCDMA、WCDA、GSM、CDMA在內的全模兼容，更通吃全球所有頻段，并提供VoLTE高清通話功能。

同時，4G時代LTE作為演進標準，也正迫不及待把我們導向5G時代，基于更多載波聚合的實現，如今高通X16 LTE調制解調器以及最新X20 LTE調制解調器已經實現了最高1Gbps下行傳輸（X20 LTE為1.2Gbps），其中，驍龍X20 LTE調制解調器能做到新的頻段分配方式，主要是因為它對非授權LTE頻段的靈活利用——這是一塊支持LAA特性（授權輔助通信）的調制解調器，在已有的5x載波聚合支持提下，X20 LTE 調制解調器可以允許運營商只調用10MHz資源便可啟動Gbps級別的LTE服務，而且還繼續擴大了支持頻段的范圍，讓這種資源聚合和分配的靈活性進一步提升。

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

5G已經上路

人類對于速度的追求永無止盡，4G時代剛剛抵達千兆速率，但以數千兆速率為目標的5G時代也已經上路，高通已經先人一步宣布了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支持5G標準的X50調制解調器，它將采用支持自適應波束成形和波束追蹤技術的多輸入多輸出（MIMO）天線技術，在非視距（NLOS）環境中實現穩定、持續的移動寬帶通信，最高可以實現驚人的5Gbps下行速率。

同時，5G時代所呈現的低時延、高可靠、低功耗的特點，也將有效的為車聯網以及物聯網行業帶來新的爆發點，萬物互聯也將不再是一句空話。

結語

從貝爾打出人類的第一個電話，到如今即將實現的5G時代，整個過程就像是工業時代轉入互聯網時代的縮影，從2G時代開始，幾乎每10年我們就會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時代也將成為行業的下一個拐點，讓我們拭目以待！