6月6日，工信部向電信、移動、聯通、廣電發放了5G商用牌照。

牌照，英文叫作lisence，“許可”的意思。的

圖1 5G牌照

5G商用牌照的發放，意味着我國正式進入5G商用元年。

許可證到手，相當于刺激了整個中國的通信市場。雖然三大運營商目前因為"成本"的考慮，沒有快速的、大批量的上5G，廣電的5G發展策略也暫不明朗，但對于設備商、服務商而言，這無疑是利好消息。

5G之箭已在弦上。

然而這一切......

所以，是時候學習了。

1895年5月7日，亞曆山大·斯捷潘諾維奇·波波夫在俄國物理化學學會會議上第一次公開表演了他所發明的稱之為"雷電指示器"的無線電接收機。第二年在同一學會的會議上又表演了距離為250米的無線電通信。接着，意大利科學家馬可尼将無線電通信付諸實用，并申請了專利權。

時過境遷125年，目前已經進入5G時代，這些基礎的無線知識不會發生太多改變，改變的是我們不斷控制電子的能力與材料技術的進步。

今天班長和大家聊一聊無線頻譜。

先從身邊的收音機說起

圖2 收音機

你可能聽說過"AM收音機"和"FM收音機"，"VHF"和"UHF"電視、"短波收音機"等等。你有沒有想過所有這些不同的名字到底意味着什麼？他們之間有什麼區别？

• AM,Amplitude Modulation幅度調制，通常所說的中波;
• FM,Frequency Modulation頻率調制;

無線電波是由天線傳播的電磁波。

無線電波有不同的頻率。通過将無線電接收機調諧到特定的頻率，你可以接收到特定的信号。

圖3 電磁波的發射過程

就像圖3這樣，電場和磁場交替産生，向外輻射産生了電磁波。再看一張靜态俯視圖4，是不是很美！

圖4 電磁波俯視圖

在中國，工業和信息化部無線電管理局（國家無線電辦公室）決定誰能夠使用哪個頻率，并向它發放特定頻率的許可證。

當你聽收音機時，播音員說:"你在聽91.5 FM! 音樂廣播"

播音員的意思是，你正在收聽一個廣播電台，它以91.5兆赫的頻率，向外廣播一個調頻無線電信号。

兆赫MHz指的是"千百萬次/秒"，所以"91.5兆赫"意味着無線電台的發射機以每秒91500000次的頻率振蕩。

圖5 AM 短波 VHF FM VHF 微波的頻率段

我們的調頻(調頻)收音機可以調諧到制定的頻率，讓我們清楚地接收到那個電台。

所有調頻FM電台在87兆赫至108兆赫之間的頻率範圍内傳輸。無線電頻譜的這一頻帶除了調頻無線電廣播外，沒有其他用途。

圖6 調頻信号，就是通過改變信号的頻率傳播信息

同樣地，AM廣播也被限制在一個波段，從530千赫茲到1600千赫茲。

因此，一個AM(調幅)無線電台說:“這是AM 680 新聞之聲。”

意味着無線電台正在以680千赫茲的頻率廣播一個AM無線電信号。

圖7 AM調幅信号就是通過幅度控制，傳播信号

為什麼AM收音機在530千赫茲到1600千赫茲的波段，而調頻收音機在87至108兆赫的波段？其中很大程度上與曆史有關。

AM廣播比調頻廣播有更長的時間。第一次無線電廣播發生在1906年左右，AM無線電的頻率分配發生在20世紀20年代。在20世紀20年代，無線電和電子能力相當有限，因此AM無線電的頻率相對較低。

圖8 早期的FM電台

調頻收音機是由一個名叫埃德溫·阿姆斯特朗的人發明的，目的是為了使高保真度的音樂廣播成為可能。他在1939年建造了第一個電台，但調頻直到1960年代才真正流行起來。因此調頻收音機的頻率更高。

電磁波發射與産生

空間中的傳播電磁波的形式如圖9所示。

圖9 傳播的電磁波，a産生電場；b電場發生變化，激發出磁場；c電磁場交替，向外傳播

天線是一種設計用來發射或接收電磁波的導線，它與交流電(AC)源相連。

交流源在天線中産生變化的電位差。

這種變化的電位差産生變化的電場，然後電場傳播遠離天線。

變化的電場也産生垂直于頁面的、變化的磁場。

雖然磁場沒有在圖9上畫出，但它也是從天線傳播出去的。電場和磁場的結合是傳播到空間中的的電磁波，它們的速度是光速。

圖10 電場與磁場垂直，向着與彼此垂直的方向v傳播

電磁波的産生

線圈和電容器串聯，是一種常見的産生高頻電磁波的方法。

如果電容器由電池充電，整個電容器的電位差會産生電場。

當電池被移除時，電容器儲存的電子流會流經線圈，從而産生磁場。此時電容器放電。

當電容器放電時，線圈的磁場就會逐漸消失。反電動勢然後在相反的方向給電容器充電，這一過程是重複的。

圖11顯示了一個完整的振蕩周期.

圖11 電容器和線圈交替能量轉換

但是這個裝置與我們平時看到的天線，不太一樣啊。天線給我們的感覺都是長條的棍棍，就像圖12這樣。

圖12 常見的天線

其實，隻要我們把圖11的電容“掰直”，就會發現“棍棍”的樣子出來了。

圖13 天線從形成過程

5G的頻譜

5G為了獲得更高的傳輸速率和較少的幹擾，支持的頻段範圍更大。

圖14 5G的頻率範圍

主要包括兩段：

• 6GHz以下，這個和我們目前4G差别不大；
• 還有一種，就是在24GHz以上，這種電磁波的波長僅僅為毫米級。

所以我們會經常說5G毫米波。

可以這樣理解，頻率使用的越大，速率越大。所以你看，從2G、3G、4G到現在的5G，使用的頻率越來越大。

現在已經到毫米波了，5G的峰值速率可以達到10Gbps。

但是電磁波也有一個特點：頻率越高，波長越短，繞射的能力就越差。也就是說，在遇到障礙物時候，容易被"擋"住，不會繞着走。

所以毫米波通信，必然會造成傳輸距離縮短，覆蓋能力受限。

覆蓋同一個區域，需要5G基站的數量，将遠遠超過4G基站。

圖15 5G與4G覆蓋對比

建設5G基站需要大量的資金，這就是運營商的成本。

起初，三大運營商都号稱要擁抱SA，但最後現在都是在走NSA的路子。

5G使用的無線頻段與上述的廣播信号，一個是MHz兆赫茲，一個是G赫茲，相距很遠。所以相互之間互不幹擾。這也是我們為什麼講到通信，就要講到頻率、頻段的原因。

圖16 三大運營商的試驗網頻譜範圍

因為我們的生活中，充滿了各式各樣的電磁波，汽車的遙控鑰匙，藍牙、WIFI、5G、遙控車庫鎖、無線廣播等等這些系統發射的電磁波圍繞在我們中間。

我們必須将頻率進行規劃，不同的系統使用不同的段落，這樣才能夠互不幹擾。

總結

本文我們描述了電磁波的産生與發射原理。簡單的理解，就是通過電容與線圈的電場與磁場能量轉換，向空間傳遞電磁波。

電磁波被劃分成不同的頻率段，用于不同的通信系統，避免幹擾。

5G時代面臨大量建設基站與成本節約的矛盾。

毫米波通信速度快，但是覆蓋受限。

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