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「硬核无线技术」系列文章介绍

如果你想知道,最近很火的5G通讯技术,还有WiFi6的标准,和Elon Musk的星链计划,这些无线电通讯技术的原理和优缺点,你来对地方了,在「硬核无线技术」的系列文章里,我会通俗的跟你讲清楚,在这个系列的第一期,也就是这个文章,我会跟你讲一些基础的知识,可能会相对枯燥和无聊,但是如果这一期你跳过不看,或者说没有认真看懂,后面的东西对你理解起来,可能就有非常高的难度了。

系列会涵盖的内容 以及做这个系列的目的

每一期我都会涵盖一个话题,从无线电原理 到WiFi 蓝牙 手机的蜂窝网络通信,一直到最后两期,我会讲到5G和星链,有兴趣了解这些话题和硬核知识的,记得订阅一下,我知道 说到WiFi和蓝牙什么的,你觉得你都明白,但是实际上,很多人的知识体系不够系统,只知道很多名词表面的意思,不代表你知道具体的怎么组网,怎么优化自己的网络,也不代表你能出去跟别人讲明白这些技术,也就是出去跟人吹个牛啥的,如果你不知道很多技术的特点和原理,你是没有办法真正的把这些无线技术,来实际应用到真实生活中的,做这个系列的文章,是为了让大家把一些常见的概念和知识 系统的串起来,让你系统性的真正搞懂这些知识和概念,所以每个概念我不会深挖,你只需要知道,大概的原理和很基础的方向性的知识就可以了,所以这个系列文章,适合所有人观看,我保证不管你是什么基础,只要你认真看 一定听得懂,不深挖原理,是因为有很多更专业的 更垂直的文章和书籍可以看,我没必要废话 对吧,另外每个人的基础也都不一样,讲得太深 观众基数太小,讲得太浅也不行,一是讲太浅 就讲不明白很多原理,二是就失去了做科普系列文章的意义,这个系列文章,除了告诉你很基础和方向性的知识之外,也能帮你拔高到整个行业的高度,来看待新出来的技术 是怎么改变我们的生活的,也能通过更高的视野,从以往的技术发展到现在的进步,看清楚未来的方向,更重要的是教你辩证的看待技术进步,来切实地应用到自己的生活中,比如说新出了WiFi6的标准,你是不是第一时间要当小白鼠,去买AX路由器 对吧,还有 新出了5G手机,你什么时候买才能享受到最成熟的生态,未来的星链技术,是不是真的技术进步的方向。

无线通讯技术的基础 电磁波/电磁波谱

我是中信科技,这个系列文章是 「硬核无线技术」,首先我讲一下,无线通讯技术的基础,也是基础中的基础,那就是电磁波谱,我们日常生活中接触到的无线电波,到你看到的阳光,屏幕发出来的光线,还有微波炉的微波,各种颜色的可见光,甚至X光,各种射线,都是电磁波,无线电波就是一种电磁波,所有频段的无线电波都是,这个图就简单的解释了,不同频段的电磁波,在电磁波谱上的表现形式,这一段电磁波谱的范围,就是无线电通讯的范围,从低频段的AM和FM广播,到中间频段的WiFi 蓝牙 蜂窝网络,到高频段的卫星通讯 5G无线电波,都在电磁波谱上范围,从低频率的3Hz,到接近300GHz,都能实现无线电通讯,超过300GHz的电磁波,就表现出了光的性质,随着频率变高,波长变短,电磁波的形式,从无线电波,到微波炉产生的微波,再到肉眼不可见的红外线,再到各种颜色的可见光,又到了不可见的紫外线,X射线,高能的伽马射线,虽然不同的频率的电磁波,有不同的性质和特点,比如说我来跟你们分享几个常识性的小知识,低频的无线电波不能穿越大气层,只能在地面传播,但是卫星用的高频无线电,可以穿透大气层的电离层,X光可以穿透人体,生成X光影像,伽马射线产生的电离辐射,就是核武器的杀伤手段之一,虽然不同频率的电磁波,表现出来的性质不一样,其实就是一种东西,本质上都是电磁波,也叫电磁辐射,电磁波谱上,超过300GHz的电磁波,进入到光和射线的领域,电磁波谱上,超过300GHz的电磁波,进入到光和射线的领域,所以我不多解释了。

无线电波的信道

回到无线电波的话题,我们生活中常用的无线电波,主要是在这一段,也就是几千赫兹到300GHz 这一段,这里面根据频率变高,被国际通讯组织规定出,各种专用的通讯频率 也叫做信道,展开来看就是这个样子的,「国际电信通讯联盟」ITU,「International Telecommunication Union」,负责制定各种业务和用途的,无线电通讯的固定频道的标准,在300GHz内的无线电通讯,必须按照规则进行通讯,不得违法占用其他的信道,这么一搞,经过很多年的发展,各种民用和商用 以及军用的无线电通讯服务,慢慢把这些信道都快占满了,导致现在的无线电信道越来越稀缺,这些专用信道涵盖的业务范围特别广,我来随便给你们举几个例子,比如说有海上移动通讯业务,有AM广播,有FM广播频段,还有无线电视广播频段,还有太空对地通讯频道,还有GPS卫星通讯服务频道,深空研究通讯频段,卫星时间校准服务,卫星广播业务服务,如果你听到这里表示不理解,刚才的东西没听懂,没关系,我接下来讲几个基础的知识,你听完之后,可以跳回去再看一遍,就能非常清晰的理解了。

无线电的属性 频率 波长 振幅

首先我讲一下,无线电波的几个性质,「频率」 「Frequency」,「振幅」「Amplitude」,「波长」「Wavelength」,和速度,振幅指的是波的波动幅度,往往能量越大,振幅越高,表现出来的信号强度就越高,波长是波在一个振动周期,传播的距离,配合图上的显示,这就是一个波长,频率指的是波的周期,一秒钟通过一个完整的波长,就是一个「赫兹」「Hertz」,一千赫 就是一秒钟通过1000个波长,1MHz就是100万赫兹,1GHz就是10亿赫兹,电磁波在真空中以光速传播,在空气介质中会稍微慢一点点,但是依然很接近光速,接下来的内容,需要配合到刚才提到的这些概念共同理解,如果刚才的几个概念,你没听懂,会影响接下来的内容,建议你如果真的刚才没听懂,就回去再看一遍。

关于波长和频率的几个基础知识

低频的电磁波波长 可以长达几公里,甚至超低频(VLF),比如说3Hz的电磁波的波长,甚至能长达十万公里,虽然说尺度很大,但是请不要忘了,电磁波是以光速传播的,即便是十万公里的波长,一秒钟传播的距离,仍然能达到三十万公里,也就是说,即使是十万公里长的波长的电磁波,一秒钟也能传播三个波长的距离,电磁波的频率和波长直接挂钩,频率越高 波长越短,电磁波的波长,如果从十万公里的尺度,波长变成几公里到几米的范围,频率随之变成3000Hz到100MHz,也就是100万万赫兹(文章口误),就变成了FM广播和AM广播的无线电波,半米左右到10厘米左右的波长,就是我们现在的4G蜂窝网络的无线电播,变成波长12厘米 对应的是2.4GHz的电磁波,和6厘米 对应的是5GHz的电磁波,2.4和5GHz的电磁波,就是我们常用的WiFi的无线电波,再短一点,变成厘米到毫米的级别,就是5G蜂窝网络 其中一个频段的电波,再短 变成700纳米到一毫米,这个波长的电磁波表现出来的性质 就是红外线了,你就看不见了,各种颜色的可见光的波长,在360~780纳米,从780~360纳米,根据波长越来越短,就展现出我们常说的,赤橙黄绿青蓝紫这些颜色,波长再短,你又看不见了,就是紫外线,然后各种射线,X光一直到伽马射线,在伽马射线的尺度上,波长不到十「皮米」,一皮米 也就是10的负12次方米,频率高达10的20次方赫兹 很夸张吧,如果你听到这里觉得太难了,你听不懂,一定要倒带回去多看几遍,一直到你彻底理解为止,不然以后的内容,比如说 你特别想搞清楚的5G手机 和星链的原理,你是听不懂的,结合刚才的内容,接下来我再说几个常识性的知识,首先从宏观上讲,天线的发射功率如果一定的情况下,频率越高的无线电波 带宽就越大,承载的数据量就越大,比如说5GHz的WiFi,就比2.4GHz的频段的WiFi,可以在更短的时间内,传输更多的数据量,你可以这么理解,因为电波的频率越高,单位时间内天线收到的波长就越多,而承载数据的波长,如果被天线接收到的越多,这个数据量就越多 对吧,这就是为什么,5GHz的WiFi比2.4GHz的WiFi要快,同时在大气层内 波长如果越长 频率越低,传播距离就越远,比如说AM的广播的波长,很长 几公里 频率比较低,所以有更好的传播性和穿透性,频率越高,波长越短,穿透性和传播距离就越短,这就是为什么,现在的5G手机网络,要建那么多的子基站,来保证信号覆盖,和消除通讯死角。

模拟信号的优缺点 频率的调制AM和FM(选修)

接下来我来讲一讲,什么是模拟信号和数字信号,这一部分内容是选修的,我做了章节功能,你可以看着跳过,建议看一看 不难,首先从模拟信号开始,模拟信号「Analog Signal」,是一个不断变化的信号,在时间的尺度上,是一个不断变化的过程,就好比一个函数图像,你就算放大几十亿倍,图像上的任何一个点,都有一个对应的值,模拟信号,就有点像这个函数图像,你可以理解为,如果说要传输一个声波的信号,可以通过无线电波,调制振幅的方式,来改变无线电波的振幅,来表达这一段声波,这个就叫做「Amplitude Modulation」,也就是振幅调制 简称「调幅」,如果通过调节无线电频率,不调振幅 调频率,也可以通过无线电波,来表达同样一个声音波形,比如说这样,通过改变无线电波的频率,来反映这段声波的波形,这个叫做「Frequency Modulation」,也就是频率调制 简称「调频」,通过这两种方式,调制出来的信号,都是模拟信号,都是通过调节电磁波的振幅和频率,来模拟出声波信号的波形,模拟信号的优点是 信号的细节保留特别完好,缺点是容易受到干扰,长距离的无线电波模拟信号通信很成问题,不过模拟信号的缺点,被数字信号完美解决了,因为数字信号 是通过二进制的「0」和「1」来承载数据,他不靠这种矢量的波形,它靠的是「0」和「1」来承载数据,长距离通信 可以通过中继加强信号,并且主动消除干扰。

数字信号的优缺点 三种调制方式ASK FSK PSK

数字信号主要有三种形式,「移幅键控法」「Amplitude Shift Keying」,「移频键控法」「Frequency Shift Keying」,「移相键控法」「Phase Shift Keying」,同样的一个声波信号,通过数字信号的调制方式,大概是这个样子的,「移幅键控法」,通过振幅的大小表达1和0,「移频键控法」,通过频率的高低表达1和0,「移相键控法」,通过波的阶段转换来表达1和0的转换,数字信号的缺点,就是容易丢失细节,可以通过这个波形看出来,数字信号的表现形式,只能做到无限接近模拟信号,但是始终无法达到,和模拟信号一样的这种程度,但是我们可以通过,增加采样率的方式,来加大数据量,尽可能的还原,这就是为什么,128kbps码率的MP3音乐,音质不如320kbps码率的MP3的音乐,然后码率更大的CD的无损音乐,数据量更大 音质更好,但是如果你能去听现场的LIVE 懂了吧,不过模拟信号是个矢量的概念,理论上用数字信号来完美表达模拟信号,数据量是无限接近无穷大的,现实生活中模拟信号的例子,就是数字音乐对比 比如说黑胶唱片,数码影像对比胶片的胶卷,打电话听到的声音,对比真实的你听到的声音,其实很多人至今仍然青睐,模拟信号 就是因为超高的还原度,好的 这就是这一期的内容。

结尾

我再次强调一遍,这一期的基础,请务必搞清楚,这样后面的WiFi蓝牙5G的,这些文章的内容,你才能更清晰的理解,本期讲解到的相关知识,如果你有兴趣深挖,可以自行搜索相关的内容进行学习,我为了更广的受众,很多东西我不会挖太深,另外如果你想讨论这些技术,可以进入到我的电报群看一下,本人不才 一个月的时间,聚集了也就1万人,很多人比我NB多了,天天在群里虐我,讨论我不懂东西,什么小姐姐之类的,如果你有相关的知识储备,欢迎进群 来指导那些,天天群里吹水的一些人,也帮我虐一虐他们,另外如果你喜欢我的文章内容还有风格,你可以通过把文章从头看到尾 点赞 评论 订阅这些方式,直接支持到我,继续支持我,通过不接广告 不推广产品的,制作这样高质量的文章,好的 谢谢下期见。

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