頻譜的故事(1) 從甚低頻到太赫茲輻射

從電報到5G通訊，實際上是個關於頻譜的故事。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、網路、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。

關於頻譜的利用，不僅充滿了戲劇性，還閃現出了大量奇聞軼事。從517世界電信日到接下來的一段時間內，愛活頻譜的故事連載，將會和大家探究人類是如何一步步從電報走向了5G時代。

頻譜是自然界存在的物理量，無法增加也不會減少，因此顯得極度珍貴。根據國際電信聯盟定義，當人類可以識別使用的電磁波頻率範圍從3kHz~300GHz。為了方便表述，3kHz~300GHz的頻段根據頻率高低被分成了VLH（甚低頻）、LF（低頻）、MF（中頻）、HF（高頻）、VHF（甚高頻）、UHF（超高頻）、EHF（極高頻）和THF（太赫茲輻射）共8個部分。

值得注意的是，在一般情況下，頻率越高穿透力越差。而頻率越低所能提供的帶寬越小。通訊領域有句老話——」有線的資源是無限的，而無線的資源卻是有限的。」 在特定頻段下，所能實現的傳輸速率也不是無限的，它同樣受到包括信噪比、信道帶寬等客觀物理條件的制約。就像就像城市道路上的車一樣不能想開多快就開多快，還受到道路寬度、其他車輛數量等因素影響。過去的百年間，整個通訊行業都在不斷挑戰極限，希望能在有限的頻譜資源下獲得更高的傳輸率，又或者進一步利用更高頻率的頻譜資源。

和所有的物理量應用一樣，人類在利用無線頻譜上也是從低往高開始的。在國際電信聯盟的定義中，3KHz~300KHz被稱作甚低頻和低頻，這個頻段極強的穿透力，波長動輒數十千米，因此可以輕易覆蓋整個地球範圍，因此最初就被用於航空、航海的導航。眾多民航客機、輪船都通過VLF頻段進行導航和管理，在這個頻段上還有潛艇使用的聲納系統等。

對於科技玩家來說，近年來火熱的電波對時手錶所接受的電波也在此頻段內。各種電波對時手錶宣稱的6局電波，實際上就是對應中國對時電波BPC的68.5KHz頻率、日本對時電波JJY 40KHz/60KHz頻率、北美地區對時電波WWVB 60KHz頻率、歐洲對時電波MSF/DCF77 60KHz、77.5KHz頻率共6個電波對時信號發射局，所以被稱作6局電波。所以，不要以為頻率低就沒有高科技，再低的頻率也是能派大用場的。

如果你經常聽廣播電台，就一定會發現很多的廣播電台都會說中波XXX這樣的頻率，這裡所謂的中波，其實就是中頻的意思。在人類成功掌握和使用甚低頻和低頻之後，發現無線電波還能傳輸聲音等信息。於是中頻就成了最初區域電台的首選頻段。我國規定中波廣播頻段為525-1605KHz，間隔9KHz，所有的中波電台都必須符合此規定。

除了廣播，中波還用於許多導航系統。如今民航使用的進程導航系統NDB也基於這一頻率區間。

在無線電廣播領域，把高頻稱之為短波。由於高頻可以通過電離層反射實現超遠距離的傳輸而不需要發射站有極高攻略，所以在高頻區間人類首次實現了覆蓋全球的廣播電台以及覆蓋全球的通訊電台。毫不誇張的說，從高頻開始，人類才第一次擁有全球無線電通訊能力。

除了國際電台等使用高頻，眾多軍事通訊保密通訊也大多使用這個頻段。二戰時期眾多無線電加密和通訊的諜戰故事，都在高頻區間展開。另一方面，ITU（國際電信聯盟）為了感謝無線電愛好者的貢獻，還專門規划了業餘頻率供無線電愛好者使用而不需要經過相關機構審批和授權。

值得一提的是，我們熟悉的RFID、NFC實際上也工作在這個頻率區間。其中NFC工作在13.56MHz，而RFID還額外使用27.12MHz。之所以選擇這樣的頻段，並非是處於增加傳輸距離考慮，更多的是為了降低接收器和發射器的設計難度和製造成本。

關於高頻，還有一個充滿神秘色彩的被稱作詭異電台MDZhB的故事——從上世紀70年代開始，全球的無線電愛好者都在462.5KHz收聽到了一個神秘電台。這個電台在近40年時間裡持續向外界發送單調的「嗡嗡聲」， 在某一天，刺耳的嗡嗡聲突然消失了，取而代之的是冷冰冰的人聲。「U-V-B-7-6」，一個濃重的俄羅斯口音讀出了一系列代碼。停頓了一下之後，嗡嗡聲又響了起來。到了2002年前後，該呼號改為「MDZhB」。時至今日，你依然能通過收音機接收這個神秘電台，而關於這個電台的具體用途和到底廣播的是什麼內容的爭論，過去40多年來從未停止。

從低頻到高頻，我們掌握了在全球範圍內傳輸聲音和信息的方法，接下來，當然是要能實現雙向溝通，最好還能看到畫面。於是VHF甚高頻被開發和利用。在這個頻段內，FM廣播、對講機、BP尋呼機、無繩電話，無線電視紛紛登場，讓普通民眾第一次感受到了無線通訊的魅力，這些產品的普及也深刻的影響了社會發展。

除了普通民眾熟知的廣播、電視，VHF還肩負了國際海事通訊、航空導航、航空地面ATC通訊等。

GSM、WCDMA、WiFI、藍牙、GPS，你所知道的絕大部分數字無線通訊技術，都在此區間內。由於該頻段應用非常密集，因此世界各國都採取了授權形式嚴格規範使用。該頻段的國家授權許可很多時候以手機運營商牌照等形式發放。你所知道的LTE Band 1234567，實際上就是該頻譜區間中每個頻段的代號，不同的國家批准使用的頻段不同，所以需要針對每個頻段進行優化和設計。手機數據機一直說的全網通，實際上就是指的對不同頻段、不同網路制式的支持。

為啥家裡WiFi不用許可？因為各國在該頻段內還定義了非授權頻段——只要設備功率不超過法定規範，使用2.4GHz頻段無需國家許可。現在你知道為啥WiFi、藍牙等都喜歡扎堆2.4GHz了吧？有意思的是，微波爐也工作在2450MHz，所以也是一個非授權頻段設備——在所有微波爐說明書上都有關於無線電干擾的說明，大致意思是不要將微波爐和WIFi路由器、電視等設備放在一起，否則可能會有干擾。

大量的無線通訊工作在UHF頻段導致了整個頻段非常擁擠，因此要進一步提升傳輸速率，除了在調製方法和編碼上獲得突破之外，就只用採用更高的頻段才行。從802.11n開始5GHz非授權頻段就被用來實現千兆以上的WiFi速度。到了802.11ac，5GHz下更是可以實現1700Mbps的傳輸速度以及MU-MIMO功能，大幅提升WiFI的傳輸速度和承載能力。由於5GHz非授權頻段帶寬很大，因此在4G LTE演進中，高通還提出了授權輔助接入技術（LAA），讓4G、5G網路也能藉助非授權頻段進一步提升傳輸率和承載能力。

至於廣為人知的5G通訊標準，除了5G工作在原有LTE網路2.4GHz頻段之前，還加入28GHz mmWave毫米波子集，以確保5G時代所制定的超高速傳輸率能得以實現。最先宣布量產的高通X50 Modem就能在28GHz頻段下實現5Gbps的下載速度，這個速度幾乎是現階段LTE網路的10倍！

在下一代WiFi標準802.11ad中直接選用了60GHz頻段從而實現最大7Gbps的傳輸率——不要以為802.11ad距離我們很遠，實際上在高通驍龍835的基帶中已經加入了對802.11ad標準的支持。首款支持802.11ad標準的家用路由器Netgear Nighthawk AD7200，也已經上市了許久。

在802.11ad問世之前，Wireless HDMI標準通過60GHz頻段實現了HDMI信號10米內的無線傳輸，而曾經熱門技術Wireless USB所使用的UWB（超寬頻）也同樣在極高頻下。儘管極高頻有眾多的限制，但絕對是無線通訊的又一個征途。要想實現超過10Gbps的無線通訊，就一定要充分掌握和利用EHF極高頻。

太赫茲輻射的波長為0.3~3THz （1THz=10^12Hz），上接EHF，下接紅外線。該頻段的電磁波已經具有了光波的種種特性，以至於THF可以像射線一樣對物體進行掃描，雖然成像質量不如X射線，但是它對於物體並沒有放射性作用。

THF頻段與之前其他頻段截然不同的特性，讓THF被應用在了成像、安全方面。反倒是在通訊上並沒有太多的突破。在美國本土機場使用的全身掃描儀，就基於太赫茲輻射原理。

從莫爾斯代碼到5G通訊，實際上就是一部人類征服更高頻段，以獲得更大帶寬的故事。在這個過程中，眾多難關被相繼克服，大量的頻譜被成功開發利用，最終實現了今天的便利生活。

縱觀整個頻譜的故事我們不難發現，每次人類學會利用一個新波段，都會深刻的改變當時的生活和社會結構。在我們有生之年，人類能否掌握利用THF頻段進行通訊？引力波是否會讓電磁波走入歷史？我們拭目以待。

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