为何现代手机不再需要外置天线？

2024-02-23 14:55:15 905

你还记得早期的大哥大是如何在头上顶着长长的天线吗？

你有没有考虑过为什么现代手机的外观已经不再显示天线呢？下面我们一起看一下与天线长度有关的因素有哪些？

频率与波长的换算公式：

波长（λ）=30万公里（c）/频率（f）

天线长度h与频率f成反比，与波长λ成正比，频率越高，波长越短。

从上面的天线长度公式中可以计算出无线通信时，手机天线长度h在使用未经过调制的低发射频率（3 kHz）时需要10000米，通过调制把低频信号搬到高频上去（例如900 MHz），手机天线可以缩小到几厘米。

通过调制技术可以提高发射信号的频率，从而减少手机终端中接收天线的长度，目前手机中的天线都可以内置到手机中，外观更美观，携带更方便。所以我们的手机终端不用再背着长长的接收天线，这件事调制技术是功不可没的。

其实，调制技术在日常生活中早有广泛的应用，例如：听广播、看电视、打电话、发微信等通讯场合都需要调制技术。

那到底什么是调制技术呢？

调制技术如同给电波插上了翅膀，下面通过一个乘坐飞机出门远行的例子来了解调制技术（调制和解调制）的过程。

这里我们把乘客比喻为消息信号，飞机比喻为载波。

乘客上飞机并选择坐在某个座位上，即对应把消息信号承载在载波的某个参量上（例如幅度、相位），这个过程就是调制。载有消息信号的载波称为已调信号。
经过传输到达目的地（接收端），乘客下飞机，即对应接收端把消息信号从已调信号中卸载下来，即解调过程。解调是调制的逆过程，从已调信号中恢复消息信号。

通过上面类比的例子，我们是不是能更轻松的了解调制技术的定义呢？到底什么是“高阶调制”？

定义：调制技术就是对信号源的信息进行处理，使其适合传输形式的过程。其目的是使所传送的信息能更好地适应信道特性，以达到最有效和最可靠地传输。即有效地利用频带资源，提高通信系统性能。

调制技术的应用有很多，例如：

匹配信道特性，减小天线尺寸，提高辐射效率
频谱搬移，实现信道的多路复用，提高信道利用率
扩展信号带宽，提高系统抗干扰能力
实现带宽与信噪比的互换（有效性与可靠性）
......还有很多，不一一列举

应用如此广泛的调制技术按调制信号的类型分：模拟调制（例如电话网、有线电视网）、数字调制。数字调制相比模拟调制有更好的抗干扰性能、更强的抗信道损耗、更好的安全性、数字传输系统中可以使用差错控制技术，支持负载信号条件和处理技术。

模拟调制是用模拟信号调制载波；数字调制是用数字信号调制载波。

模拟信号和数字信号的不同之处在于它们所传输的信息的形式。

模拟信号是一个连续的信号，可以在无限小的时间内进行测量。
数字信号则是以离散的形式进行传输，它的数值只能是离散的、有限的值。

模拟信号会更容易受到噪声和失真的影响，这些影响可能会改变信号的特性，因此模拟调制一般用于通讯质量要求不高的场合。

数字信号可以通过各种算法进行处理和纠正，以确保传输的精确性和可靠性。因此数字信号更容易被保护和复制，可以在有限的信道条件下，尽量提高频谱资源利用率。

数字调制相比模拟调制有很多优点，应用更为广泛，下面我们主要看看数字调制吧。

数字调制：把数字调制为模拟信号。通过调制模拟载波信号的3个参数（幅度、频移、相移）来标识数字数据。

数字调制为什么要数字调制为模拟信号呢？

因为有的时候我们需要长距离传输，在进行长距离远距离传输的时候使用模拟信号传输成本比较低，那么当我们需要长距离传输使用模拟信号的时候，数字数据在传输的时候就要调制为模拟信号。

模拟信号的相位调制和数字信号的PSK可以被认为是幅度不变、仅有相位变化的特殊的正交幅度调制。由此，模拟信号相位调制和数字信号的PSK也可以被认为是QAM的特例。

下面我们一起了解一下在3G/4G/5G通讯中应用最为广泛的数字调制技术QAM。

QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制）是一种在两个正交载波上进行幅度相位调制的调制方式。这两个载波通常是相位差为90度（π/2）的正弦波，因此被称作正交载波。QAM是通过载波某些参数的变化传输信息。

QAM发射的信号集可以用星座图方便地表示（这里的星座图可不是天上十二星座的星座图喔，文档君先卖个关子，后面详细介绍喔~），星座图上每一个星座点对应发射信号集中的一个信号。星座点经常采用水平和垂直方向等间距的正方网格配置，当然也有其他的配置方式。

数字通信中数据常采用二进制数表示，这种情况下星座点的个数是2的幂。常见的QAM形式有16QAM、64QAM、256QAM以及1024QAM等。一个调制符号分别可以传送4、6、8、10比特的信息。

星座点数越多，每个符号能传输的信息量就越大。但是，如果在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点，会使星座点之间的距离变小，进而导致误码率上升。因此高阶星座图的可靠性比低阶要差。

2QAM和4QAM实际上是二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK），而8QAM则有将单数位的位分到两个载波上的问题，8PSK要容易得多，因此8QAM很少被使用。

各种调制单个波形可以传输的信息量不同，比如BPSK单次调制可以传输21=2个二进制符号，8PSK可以传输23=8个二进制符号，这里的8叫做调制的阶数。4阶以上调制，称为高阶调制。高阶调制是相对于低阶调制而言的。

QAM在用于数字信号调制时，与普通幅度调制和相位调制相比能得到更高的速率。因为幅度调制和相位调制仅有2种符号（symbol）来区分0或1。

幅度调制：通过改变载波的振幅来区分0和1。
相位调制：通过改变载波的相位来区分0和1。例如我们常见的BPSK，就是使用0°和180°共2个相位表示0和1，即2种符号；QPSK则是使用0°、90°、180°和270°共4个相位，能够表示00、01、10和11共4种符号，传递2 bit的信息。其实QPSK就是一种特殊的QAM，即4QAM。

而QAM则有更多的符号，每个符号都有相应的相位和幅度值。

以16QAM为例，通过QAM调制可得到16个不同的波形，分别代表0000，0001.....这也意味着一共有16种符号，一个符号可以传递4 bit信息。

16QAM示意图如下图所示。

QAM是如何工作的呢？移动通信与光通信中的调制技术：QPSK和QAM调制！

QAM是将信号加载到2个正交的载波上（通常是正弦和余弦），通过对这两个载波幅度调整并叠加，最终得到相位和幅度都调制过的信号。这两个载波通常被称为I信号，另一个被称为Q信号，所以这种调制方式也被称为IQ调制。

在数字信号调制中，星座图通常用于表示QAM调制二维图形。星座图相对于IQ调制而言，将数据调制信息映射到极坐标中，这些信息包含了信号的幅度信息和相位信息。

星座图上的每一个点，都表示一个符号。该点I轴和Q轴的分量分别代表着正交的载波上的幅度调整。该点到原点的距离A就是调制后的幅度，夹角φ就是调制后的相位。

而星座图上点的数量，决定了每个符号传输的比特数。例如：

256QAM，256是2的8次方，每个符号能传输8bit的数据。

1024QAM，1024是2的10次方，每个符号能传输10bit的数据。

因此，作为比256QAM更高阶的1024QAM，数据传输的峰值速率进一步提高25%。

噪声与干扰对QAM的影响

尽管较高阶的调制方式速率能够为无线电通信系统提供更快的数据速率和更高水平的频谱效率，但这是有代价的。较高阶的调制方案对噪声和干扰的适应性要差得多。

发送一个符号所需的载波频宽是固定的，发送时长也是一定的。较高阶次意味着符号之间差异越小，对接收器件和环境要求也更高。在恶劣环境下，终端可能无法使用高阶QAM模式通信，只能采用较低阶次的调制模式。

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