什么是 RF？无线电频谱指南

作者：Jeremy Cook

射频（RF）频谱无处不在，无法看到，在以令人难以置信的频率传输自然和人为信号。本文回答了“什么是RF？”这一问题，并探讨了监管机构如何努力确保对这一有限资源的适当访问。我们还将涉及5G如何融入其中。

射频物理学

最基本的是，一个在天线上的变化电信号可以产生电磁振荡（即RF波）。这些振荡可以是无意的（可能导致与其他设备的干扰），也可以是有意的、经过精心调制的信号，能够被其他天线接收并解释为可用信息。例如，AM（幅度调制）使用一系列固定频率波作为所谓的载波，同时将这些波的振幅连续改变为调制信号。
 
RF频谱可以定义为在3 Hz到3,000 GHz之间循环的电磁波，使其拥有广泛的特性和用途。考虑到一个3 Hz载波每秒产生三个完整的电磁波，而“搭乘”在这个载波上的调制信号通常频率较慢。
 
尽管涉及多个因素，使用3 Hz载波的调制信号数据率将非常慢，可能表示为比特/秒范围甚至更低。在频谱的另一端，3,000 GHz载波将允许更快的调制信号，并且中间有一系列（更实用的）值。这一范围允许了我们现在在WiFi和蜂窝通信中理所当然的高速数据率，以及传统的AM和FM广播。
 
射频与光速有关，并且与波长成反比，通过以下公式表示：

光速（约为 3 x 10^8 m/s）是恒定不变的，因此当射频信号的波长增加时，频率会成比例地降低，反之亦然。相对较高频率的射频信号具有较短的波长，而较低频率的射频信号则具有较高的波长。
 
高频信号和数据速率的权衡之处在于，虽然它们能够在短距离内传输大量信息，但这些信号会被大气和周围物体迅速吸收。作为日常例子，请考虑2.4 GHz的WiFi数据速率虽然比5 GHz稍慢，但可以在更远的距离接收到。
 
在低数据长距离传输的极端情况下，亚百赫兹范围的信号用于与潜艇通信，能够穿透海洋深处。主要的权衡是非常低的数据速率。另一个考虑因素是，使用较长的射频波长需要相应较长的天线。

射频信号和防止干扰的规章

由于射频通信只能在固定的频率范围内进行，因此全球的无线电波，按定义，是一种有限的资源。射频先锋们在20世纪之交可能将有限带宽视为学术问题（如果他们考虑过的话），但是如今射频被用于各种各样的技术且必须谨慎分配。当信号必然重叠时（例如，纽约的97.1 MHz无线电频段与奥斯汀的同频段，或全球数十亿的蓝牙设备），功率限制被施以将干扰降至最低。
 
考虑一下你周围有多少设备在有意传输和接收射频信号。典型的智能手机至少具有四种射频模式：WiFi、蓝牙、蜂窝网络和GPS。除此之外，还有各种无意的射频发射器，包括从灯泡到电动马达再到电线。
 
幸运的是，由于国际电信联盟 (ITU)、联邦通信委员会 (FCC) 和国家通信与信息管理局 (NTIA) 等组织的指导，全球射频信号通常能够和谐共存。这些组织将频谱划分为可用的部分。虽然由于我们对这一资源的大量利用频谱受到限制，请记住，频谱范围覆盖从3 Hz到3000 GHz（写出来就是 3,000,000,000,000 Hz）。官方FCC在线频率分配表相应地是长达181页的文本。

5G如何与频段配合工作？

公众对射频设备的期望是能够正常工作，很少涉及其复杂性，这类似于我们在插入电源插座时期望电力供应。然而，也许由于运营商广告中对5G的大力宣扬，射频，尤其是5G，成为了我们的集体意识的一部分。5G确实承诺提供更好的数据传输速率和更低的延迟，但它也成为争议的主题，包括对其可能干扰飞机上使用的雷达高度计的担忧。
 
撇开这些担忧，5G现已在美国大部分地区实施，并未出现重大问题。5G不使用单一频段，而是如本文所述，它在三个不同的频率范围内运作。较高频率用于在距离发射器较短的位置提供高数据速率，而较低频率则在更远距离上传输较低的数据速率。
 
5G也不同于5 GHz WiFi，这是一种与之同名但基本无关的射频技术。增添更多混淆的是，WiFi 5使用5 GHz进行传输，但5实际上代表第五代无线技术。而新的WiFi标准不断推出：WiFi 6E扩展了信号传输到新可用的6 GHz频段，WiFi 7则使用与6E相同的频段，但允许多路链接操作，速度可达46 Gbps。了解更多关于5G与5GHz技术的差异。

射频范围：必须谨慎分配的有限资源

虽然射频频谱不会像石油或稀土金属那样“耗尽”，但我们只能使用3 Hz到3,000 GHz这一频段。这一范围自19世纪末无线电通信诞生以来一直如此，除非我们对物理学的理解发生剧变，否则未来也将如此。
为了妥善利用这一资源，我们需要在合适的功率限制下进行仔细的频率分配，并通过技术创新（例如QPSK信号）来传输更多数据而不占用更多的频率空间。
Arrow提供各种来自行业领先制造商的射频产品和设备供您下一个项目使用。例如，DFR0868 ESP32-C3开发板让您可以在同一个模块中使用WiFi和蓝牙。