我們的手機能夠打電話、上網(wǎng)，是因為手機能夠發(fā)射或接收看不見的電磁波。電磁波的頻率范圍是非常寶貴的資源。在這篇文章中，我們將探究電磁頻譜是如此寶貴的資源的科學原因。

無論你什么時候使用手機，無論是上網(wǎng)還是打電話，你都是在通過電磁波發(fā)送或接收信息。這些電磁波被對應的發(fā)射塔接收，傳送到目標發(fā)射塔，最后到達終端用戶。

在蜂窩通信中，地理區(qū)域被劃分為不同的小區(qū)。蜂窩通信中的困難之處在于，如果一個小區(qū)中有五個用戶，則應使用五個不同的頻率來傳輸其信號。

通過下面的例子來說明。

假設有三種不同顏色的球從一個像噴泉一樣的玩具中噴射出來，不同顏色的球應該到達與它顏色相同的被子。在這種情況下，很難讓球和杯子的顏色相匹配。

但是，如果將特定的大小分配給特定的顏色，則可以輕松滿足上面的條件。

這正是我們在蜂窩通訊中所做的。發(fā)射塔代替了噴泉，使用者代替了杯子。與擁有不同大小的球類似，我們確保每個用戶的頻率是惟一的。這樣，你的手機將只接受你的頻率分配給它的信號。所有其他頻率信號將被設備的濾波電路拒絕。這也意味著世界上每個活躍的用戶必須有一個獨特的頻率，否則你會收到別人的信號。

我們一直在說每個用戶都有一個獨特的頻率，其實準確地說，應該是一個頻率范圍。天線能夠?qū)⑿盘柊l(fā)送到頻率范圍或頻帶，你手機的濾波電路也允許有一個頻段。

此外，我們需要一種調(diào)制技術(shù)來傳輸任何信號。

如果我們使用頻率調(diào)制，我們需要兩個頻率來傳輸信號。較高的頻率可以表示1，較低的頻率可以表示0。

這可能會導致一些關(guān)于隱私的問題。如果一個黑客在他的設備中設置了我們的頻率并試圖訪問，會發(fā)生什么?然而，事情并沒有那么簡單。通過頻率發(fā)送的信號被加密保護，這意味著只有你的設備能夠解密它。

總的來說，世界上大約有50億手機用戶，由于各種各樣的原因，電磁波譜的整個頻率范圍對蜂窩通信是無用的，為每個用戶分配一個獨特的頻率范圍是一項不可能完成的任務。

讓我們看看為什么頻帶是有限的原因，以及我們?nèi)绾问褂矛F(xiàn)代技術(shù)來克服這個問題。

電磁波譜的范圍從無線電波到伽馬射線。較高頻率的電磁輻射具有最差的穿透能力，所以我們不會將這些頻率用于蜂窩通信。較低頻率的電磁頻譜具有較低的能量，這將需要一個更大的天線傳輸，這實際上是不可能的設計。電磁波的傳播取決于電離層的性質(zhì)。由于所有這些限制，只有一小部分的電磁波譜被保留了下來。

在大多數(shù)國家，頻譜通常是由政府機構(gòu)管理的資源。政府通過拍賣等在公司之間分配頻譜的不同部分來賺錢。在美國，聯(lián)邦通信委員會(FCC)和國家通信委員會(NTIA)這兩個機構(gòu)負責管理無線電頻譜，而在歐洲，EPT則負責管理無線電頻譜。在全球?qū)用妫瑖H電信聯(lián)盟(ITU)負責管理所有與光譜有關(guān)的技術(shù)事務。

我們在開始時解釋的調(diào)頻已經(jīng)過時了。它被用于1G和模擬形式。在4G，一種叫做QAM的技術(shù)被使用，我們可以一次發(fā)送更多位。

讓我們看看它是如何工作的。

在QAM中，通過改變振幅和相位來產(chǎn)生不同的數(shù)字信號。

下面來舉一個758-802MHz使用的例子。我們已經(jīng)知道有限的頻率范圍可用于蜂窩通信，因此有必要有效地使用這些范圍。為了實現(xiàn)這一點，蜂窩系統(tǒng)將可用范圍劃分為若干個頻段，然后將這些頻段分配到幾個塔上。

這種分布的優(yōu)點是對不同的發(fā)射塔使用相同的頻段，但是這里有一個問題，相鄰的發(fā)射塔不能分配相同的頻段。

這樣做是為了限制你的手機接收到鄰近信號塔的信號。因此，在通話期間，如果你移動到相鄰的小區(qū)，你會被分配到與相鄰小區(qū)發(fā)射塔不同的頻率，而通話不會中斷。

下一個挑戰(zhàn)是同時管理單元區(qū)域內(nèi)的所有活動用戶。

這里的發(fā)射塔頻率必須在幾個用戶之間共享，這一挑戰(zhàn)通過使用多種訪問技術(shù)中的一種來解決。這些多重訪問技術(shù)可以通過類比來理解。

想想100個音樂家是如何錄制一首歌的。他們可以在不同的房間或不同的時間或用不同的語言錄制。類似地，在蜂窩通信中，蜂窩基站和多個用戶可以共享信息通過不同的頻率或在不同的時隙或使用不同的編碼技術(shù)。

在蜂窩通信中，每一代都引入了不同的多址技術(shù)。這些技術(shù)的主要重點是有效地利用現(xiàn)有的頻譜。例如，4G產(chǎn)生了OFDM，而OFDM可用范圍被劃分為大量較小的子載波范圍。這些子載波在數(shù)學上是互相正交的，并且每一個子載波都是單獨調(diào)制的。

希望這篇文章能幫助你對什么是頻譜有一個清晰的認識。