探究电磁频谱是如此宝贵的资源的科学原因

我们的手机能够打电话、上网，是因为手机能够发射或接收看不见的电磁波。电磁波的频率范围是非常宝贵的资源。在这篇文章中，我们将探究电磁频谱是如此宝贵的资源的科学原因。

无论你什么时候使用手机，无论是上网还是打电话，你都是在通过电磁波发送或接收信息。这些电磁波被对应的发射塔接收，传送到目标发射塔，最后到达终端用户。

在蜂窝通信中，地理区域被划分为不同的小区。蜂窝通信中的困难之处在于，如果一个小区中有五个用户，则应使用五个不同的频率来传输其信号。

通过下面的例子来说明。

假设有三种不同颜色的球从一个像喷泉一样的玩具中喷射出来，不同颜色的球应该到达与它颜色相同的被子。在这种情况下，很难让球和杯子的颜色相匹配。

但是，如果将特定的大小分配给特定的颜色，则可以轻松满足上面的条件。

这正是我们在蜂窝通讯中所做的。发射塔代替了喷泉，使用者代替了杯子。与拥有不同大小的球类似，我们确保每个用户的频率是惟一的。这样，你的手机将只接受你的频率分配给它的信号。所有其他频率信号将被设备的滤波电路拒绝。这也意味着世界上每个活跃的用户必须有一个独特的频率，否则你会收到别人的信号。

我们一直在说每个用户都有一个独特的频率，其实准确地说，应该是一个频率范围。天线能够将信号发送到频率范围或频带，你手机的滤波电路也允许有一个频段。

此外，我们需要一种调制技术来传输任何信号。

如果我们使用频率调制，我们需要两个频率来传输信号。较高的频率可以表示1，较低的频率可以表示0。

这可能会导致一些关于隐私的问题。如果一个黑客在他的设备中设置了我们的频率并试图访问，会发生什么?然而，事情并没有那么简单。通过频率发送的信号被加密保护，这意味着只有你的设备能够解密它。

总的来说，世界上大约有50亿手机用户，由于各种各样的原因，电磁波谱的整个频率范围对蜂窝通信是无用的，为每个用户分配一个独特的频率范围是一项不可能完成的任务。

让我们看看为什么频带是有限的原因，以及我们如何使用现代技术来克服这个问题。

电磁波谱的范围从无线电波到伽马射线。较高频率的电磁辐射具有最差的穿透能力，所以我们不会将这些频率用于蜂窝通信。较低频率的电磁频谱具有较低的能量，这将需要一个更大的天线传输，这实际上是不可能的设计。电磁波的传播取决于电离层的性质。由于所有这些限制，只有一小部分的电磁波谱被保留了下来。

在大多数国家，频谱通常是由政府机构管理的资源。政府通过拍卖等在公司之间分配频谱的不同部分来赚钱。在美国，联邦通信委员会(FCC)和国家通信委员会(NTIA)这两个机构负责管理无线电频谱，而在欧洲，EPT则负责管理无线电频谱。在全球层面，国际电信联盟(ITU)负责管理所有与光谱有关的技术事务。

我们在开始时解释的调频已经过时了。它被用于1G和模拟形式。在4G，一种叫做QAM的技术被使用，我们可以一次发送更多位。

让我们看看它是如何工作的。

在QAM中，通过改变振幅和相位来产生不同的数字信号。

下面来举一个758-802MHz使用的例子。我们已经知道有限的频率范围可用于蜂窝通信，因此有必要有效地使用这些范围。为了实现这一点，蜂窝系统将可用范围划分为若干个频段，然后将这些频段分配到几个塔上。

这种分布的优点是对不同的发射塔使用相同的频段，但是这里有一个问题，相邻的发射塔不能分配相同的频段。

这样做是为了限制你的手机接收到邻近信号塔的信号。因此，在通话期间，如果你移动到相邻的小区，你会被分配到与相邻小区发射塔不同的频率，而通话不会中断。

下一个挑战是同时管理单元区域内的所有活动用户。

这里的发射塔频率必须在几个用户之间共享，这一挑战通过使用多种访问技术中的一种来解决。这些多重访问技术可以通过类比来理解。

想想100个音乐家是如何录制一首歌的。他们可以在不同的房间或不同的时间或用不同的语言录制。类似地，在蜂窝通信中，蜂窝基站和多个用户可以共享信息通过不同的频率或在不同的时隙或使用不同的编码技术。

在蜂窝通信中，每一代都引入了不同的多址技术。这些技术的主要重点是有效地利用现有的频谱。例如，4G产生了OFDM，而OFDM可用范围被划分为大量较小的子载波范围。这些子载波在数学上是互相正交的，并且每一个子载波都是单独调制的。

希望这篇文章能帮助你对什么是频谱有一个清晰的认识。