外观
第 7 章 射频与无线技术
RF and Wireless Technologies
第 6 章一开始，我们讨论了模拟信号（analog signal）与数字信号（digital signal）的区别，以及为处理它们而设计的各种子元件。在第 7 章，我们把目光特别集中在模拟世界，深入剖析射频（Radio Frequency，RF）与无线电子学这一令人振奋的领域。从汽车收音机到手机，无线技术的问世让人们无论身在全球何处、无论身处移动之中，都能即时获取信息和娱乐，从而改变了我们日常生活的方式。在追溯这一演进历程、以及让它成为可能的硬件技术之前，我们需要先对电磁频谱（electromagnetic spectrum）做一番考察。
射频与无线
要更好地理解无线系统，不妨先考虑两种能量形式。第一种是电能（electrical energy），我们在第 1 章已经讨论过。电能沿导体（conductor）传播，它源于电压（voltage）差，正是这种电压差驱使电流（current）流过电子设备内部的布线和电路（circuit）。第二种是无线的「空中传播」能量，它像水面上的涟漪一样，以波的形式从一处传播到另一处。作为富有无穷创造力的学者，我们把它称为波能（wave energy）。
正是通过操控这两种能量——电能与波能——人类得以每天创建、存储并传递将近三百亿亿（three quintillion）字节的信息（Bartley, 2021）。电气工程师施展这套魔法的方式，是控制电能强度随时间的变化，从而创造出电的「图样」，也就是信号。计算机利用这些图样彼此通信——发送、接收、存储并处理我们日常生活中所用的信息。
射频信号与电磁频谱
那么，射频信号究竟是什么？射频信号是一种模拟「波」信号，用于在没有物理线缆或有线连接的情况下，将信息从一处传送到另一处（NASA, 2018）。20 世纪 60 年代开启的半导体革命曾受制于这些物理连接，而无线技术让我们无论走到哪里都能把技术随身带着走。这些模拟无线信号可以存在于一个极宽的强度和频率范围之内，这个范围就称为电磁频谱（NASA, 2018）。
是什么让射频信号有别于声音、视频等其他模拟「波」信号？是频率（frequency）。频率正是电子设备用来区分一个信号与另一个信号的依据（NASA, 2018）。如果你曾好奇为什么自己能够一边听收音机、一边打电话，而两者却互不干扰，这就是答案：广播电台、电视频道、电话和互联网服务提供商都使用不同的频率范围（称为频段，frequency band）来传递不同类型的信息（Commscope, 2018）。
美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）严格监管谁可以把哪些频率范围（频段）用于哪类通信，以避免人们彼此干扰对方的信号（FCC, 2018）。即便如此，我们的设备有时仍会相互干扰——试试把你的蓝牙耳机用在离微波炉太近的地方，它可能会毁掉你正在听的播客！
每个频段都被预留给一种特定的通信协议，以确保所有用户都遵循同一套标准（如 AM、FM、CDMA、802.11 等）。服务提供商能够使用的频率范围（带宽，bandwidth）是有限的，却要用它来向客户交付互联网、电视等不断扩张的各类服务（FCC, 2018）。正因如此，提供商有动力在固定的频率范围内，为尽可能多的人塞进尽可能多的信息。他们力求从分配到的带宽中榨取尽可能多的收入，为此向 CDMA 之类的无线技术投入了数十亿资金（这一点我们稍后再细谈）。简单来说，当电话公司和电视提供商在广告里吹嘘「带宽」和网络速度时，他们真正想说的其实是：「我们用自己的频率范围，向最多的客户提供最快的服务。」
正如你从图 7-1 中所看到的，电磁频谱的不同部分被用于不同的应用。射频（RF）描述的是「频谱地产」中的一块，我们用它来进行广播、电视播送等。在射频频率范围之内，有一个子频段包含微波（microwave），其频率范围被用于 Wi-Fi、雷达和手机信号覆盖。所有电磁波都是辐射（radiation）。大多数频率是无害的，但在高频处，它们可能非常有害，这一点可以从图右侧频谱的电离（ionizing）部分看出来。
图 7-1 按频率和应用分类的电磁频谱（NASA, 2010）
图示展示了完整电磁频谱，从左到右频率递增：无线电波（Radio Waves）→微波（Microwaves）→红外线（Infrared）→可见光（Visible Light）→紫外线（Ultraviolet）→X射线（X-rays）→伽马射线（Gamma rays）。底部图标标注了各频段的典型应用，包括调幅广播（AM Radio）、调频广播（FM Radio）、手机信号（Cell Phone）、家用微波炉（Microwave Oven）、遥控器（Remote Control）、肉眼可见光（Visible Light）、医用X射线（Medical X-ray）等。右侧标注电离辐射区（Ionizing）。
射频集成电路——发射器与接收器
所有射频系统都有两个主要组成部分——发射器（transmitter）和接收器（receiver）。发射器和接收器的基本功能很直观：信息由发射器发送或「发射」，由接收器接受或「接收」（请先抓稳，听好了）。一个单独的元件既可以作为接收器，也可以作为发射器——这种设备叫做收发器（transceiver），后面我们会详细介绍。
大多数发射器和接收器至少需要六个基本元件才能正常工作：电源、振荡器（oscillator）、调制器（modulator）、放大器（amplifier）、天线（antenna）以及滤波器（filter）（Weisman, 2003）。并非发射器或接收器中的所有元件都需要电源才能运作。那些需要电源的被称为有源器件（active component），不需要电源的则被称为无源器件（passive component）。下面我们逐一介绍这六个基本子元件。
电源（Power Source）——射频波是一种能量形式，这种能量必须来自某个地方，比如手机里的电池（battery）。
振荡器（Oscillator）——这是射频「波」的来源。振荡器产生射频模拟「波」信号，这些信号将作为传输信息的「载体」（Lowe, n.d.）。振荡器设定了传输的频率。
调制器（Modulator）——这里才是真正神奇的地方。要让振荡器产生的射频「载波」信号发挥作用，需要将它「印上」所携带的数字信息，以便发送给接收系统。调制器通过对载波信号（carrier signal）的频率或幅度进行微小调整来实现这一目的，调整后的信号在接收端由解调器（demodulator）还原为数字信号。图 7-2 粗略描绘了调制器的工作原理。这是一个幅度调制（amplitude modulation）系统，因为调制后的输出数据幅度取决于数字输入数据。解调器负责将射频载波信号（波）与信息输入（数字「计算机」语言信号）分离，使接收端的数字机械能够正确处理信息。用于在射频模拟信号和数字信号之间转换的关键器件叫做调制解调器（modem）。调制解调器是一种兼具调制器和解调器功能的设备——没错，早期的通信工程师在起名字这件事上确实不怎么有创意。调制解调器可以同时执行调制和解调算法，从而快速实现模拟-数字与数字-模拟信号之间的互转（Borth, 2018）。
图 7-2 调制器方框图
图示为调制器方框图：左侧两路输入为数字输入数据（Digital Input Data，方波信号）和射频载波波形（RF Carrier Wave，正弦波），两路信号进入调制器方框后，输出调制后的输出数据（Modulated Output Data，已调幅的正弦波）。
放大器（Amplifier）——放大器用于增强或放大信号。信号越强，传播得越远，能在越长的距离上保持其精确度。随着射频能量扩散或传播得越来越远，它在穿过沿途遇到的各种介质时会发生损耗（被部分吸收）、被路径上的物体反射，或受到其他电磁能量和信号的干扰。当一个信号在穿过某个元件后变大时，就称该信号经历了增益（gain，与损耗相对）。当一个信号抵达其预定目的地时，它很可能已经损失了相当一部分原始强度。面对如此微弱的信号，可以用放大器把它重新提升到计算机能够处理的可用强度。在另一端，当一个信号正要离开发射器时，放大器被用来增强这个信号，使它能够在保持信号完整性的同时传播更远的距离，并把一条完整的消息送达接收设备。放大器遍布于整个射频系统之中，出于各种各样的技术原因被用来增强信号强度，但把它们想象成微弱来波信号和崭新去波信号的「增压器」，是一种远没那么抽象的方式来理解它们的作用（Weisman, 2003）。
天线（Antenna）——天线是向其他系统发送和接收信号的元件。许多天线既可以发送也可以接收信号，在发射器和接收器功能之间交替切换（Weisman, 2003）。
滤波器（Filter）——射频子元件的种类繁多，远超出你大概需要了解的范围，但在继续之前，还有最后一类器件值得我们关注——滤波器。从概念上讲，滤波器相对简单。它们的作用是让具有目标频率的信号进入系统，并把具有非目标频率的信号挡在外面，就像私人社区门口的保安，在你进出时核对你的车牌一样。在射频世界里，这些非目标信号可能来自干扰或噪声，它们既可能源于随机的环境扰动（这称为 EMI，即电磁干扰，electromagnetic interference），也可能来自其他在相近频率上播送射频信号所产生的「人为」射频噪声。正因为有滤波器，当你把收音机调到 94.7FM 时，才不会同时听到 94.9FM 正在播放的歌曲——所有那些其他频率上的信号都被「滤掉」了。射频系统中主要使用四种类型的滤波器（Shireen, 2019）：
低通滤波器（Low Pass）：只允许低于某一频率的信号通过。
高通滤波器（High Pass）：只允许高于某一频率的信号通过。
带通滤波器（Band Pass）：只允许介于两个频率之间的信号通过。
带阻滤波器（Band Reject）：只允许某一频率范围之外的信号通过。
为了说明所有这些部件是如何组合在一起的，图 7-3 给出了发射器和接收器的一张简单方框图。在这个示例中，我们假设所传输的数据是一段音频或视频信号，但它也可以是任何数据包，例如一条让你的手机加载你最喜欢的网站的简单指令。并非每个射频系统看起来都和这一模一样，但为了便于在概念上理解，不妨设想一台接收器正在处理某个收发器中的振荡器所产生的射频信号，而这台收发器正是发送它刚刚接收到的那条消息的一方。滤波器可以存在于系统的各个位置，但把它们想象成（实际上也常常被放置在）放大器与天线之间，会很有帮助。
图 7-3 发射器与接收器方框图
上方为发射器（Transmitter）信号链：电源（Power Supply）→振荡器（Oscillator，信号生成）→调制器（Modulator，将音频或视频信息编码到信号上）→滤波器（Filter）→放大器（Amplifier）→天线（Antenna，发射广播信号）。下方为接收器（Receiver）信号链：天线（Antenna）→滤波器（Filter）→放大器（Amplifier）→解调器（Demodulator，解码音频或视频信息）→扬声器（Speaker，音频输出），另有电源（Power Supply）和放大器（Amplifier）辅助供电与增益。
如果我们追踪图 7-3 中发射器的数据路径，可以看到它起源于振荡器，振荡器发出一个载波信号（carrier signal）。这个载波信号与数字信息（本例中为音频或视觉数据）结合，形成一个无线信号，这个信号在被发送给预定的接收设备之前，会先经过滤波器和放大器，由它们对信号进行修整和增强。如果我们追踪接收器的数据路径，可以看到它始于天线，天线接收来自另一台朝它方向发射的设备传来的入射信号。信号随后经过滤波器和放大器，一路传到解调器（demodulator），由解调器把无线载波信号与数字音频或视觉信息分离开来，再把接收到的信息传递出去，供系统内部消费或进一步处理。
OSI 参考模型
系统设计师有一项颇具挑战的工作要做。他们必须确保自己的系统（1）作为一个正常运转的整体协调一致地组合在一起，并且（2）能与其他设备无缝通信。对于开发先进设备的设计机构而言，第一项挑战可能涉及协调成千上万名工程师的工作，这些工程师分头开发着数十个子模块。一旦攻克了这第一项挑战、做出一台性能优异且功能完备的设备，接下来要与由不同公司、采用各自独立的设计方法、技术和工艺制造的设备相集成——倘若没有某种共享的规则或准则，这件事即便不是彻底不可能，也会复杂到难以想象的地步。
为了进一步说明，设想你是一名硬件工程师，正在打造一块芯片，用于帮助在移动设备上运行各种应用。要让这块芯片有用，这个系统必须能够高效运行你客户的软件工程团队所编写的代码，同时还要能与笔记本电脑、蓝牙设备以及其他手机等各种各样的硬件设备相集成。你该如何设计出一个能与其他一切设备协同工作的系统呢？在真空中，这是不可能做到的——每一家硬件公司都会构建运行各自独立编程语言的不同系统，彼此之间难以通信。然而，有了 OSI 模型，你只需「照着菜谱做」，就能构建出一个既能满足你的软件团队需求、又能与其他设备无缝连接的系统。
开放系统互联（Open Systems Interconnection，OSI）模型描述了把底层硬件与消费者所交互的、面向用户的界面连接起来的各个系统层。这些层本身是各种标准和协议的集合，使设计工程师和系统架构师能够彼此通信（同一层内）、与从事其他层工作的工程师通信（不同层之间），并与某个网络内的其他系统通信。可以想象，面对当今存在的电子系统在数量和种类上的庞杂，要设计出能够协同工作、彼此集成的系统和产品，是一件复杂而充满挑战的事情。像 OSI 这样被普遍接受的模型，使得生产高性能网络和集成系统所必需的标准化成为可能。
该模型把网络功能分解为一个由七层构成的 OSI 系统栈（OSI system stack），其中每一层都可以独立于其他层进行设计。第 1–3 层负责信息在网络中的物理传输，而第 4–7 层处理用户应用。第 7 层，即应用层，包含消费者与之交互的用户界面，比如一个网页或你手机上某个应用的主屏幕。当你逐层向下时，你会越来越接近为应用提供动力的电路。模型中最低的一层是物理层（PHY Layer），数据本身（一串 1 和 0）正是在这里被传输给底层硬件。在实践中，物理层由一个或多个把设备连接到更大网络的电子电路构成。这套电路通常由混合信号和模拟集成电路（IC）、收发器和接收器等射频元件，以及能够解读和修整入射与出射信号的 DSP 模块组成。你可以在附录中看到对每一层更详细的描述。
需要说明的是，OSI 模型主要是为更大网络中不同设备之间的系统间通信而设计的。还有许多其他的框架和标准集合，被用于某个系统内部各设计团队之间的通信，而非系统与系统之间。举例来说，iOS 或 Android 等不同的操作系统，可能拥有各自独立的协议和标准，使在硬件抽象层或平台层工作的嵌入式软件工程师，能够与同一家公司里在中间件层工作的软件工程师彼此通信。重要的是，一个系统对外的端点能够与其他设备良好地集成。各种参考模型的种类繁多、纷繁复杂，远超本书的范围，但把任何计算系统都想象成一层层清晰界定、自下而上从硬件堆叠到用户的结构，会很有帮助。我们可以在 OSI 模型的物理层之下再加一个「硬件层」，从而构造出一个通用的宏观系统栈（Macro-System Stack）（见图 7-4）。我们这个栈中的「硬件层」正是本书所讲的全部内容，但我们也不能忘记它上面那些让硬件变得有用的各个层！
宏观系统栈是一种更为务实的方式，用来思考计算系统的各个不同层级如何组合在一起。应用层（Application Layer）是你所交互的东西——无论是手机上的某个应用、电脑上的某个程序，还是你正在访问的某个网站的界面。中间件层（Middleware Layer）由后端应用框架构成。这里是传统软件开发者编写某个应用「内部运作机制」的地方——把驱动一个软件程序的各种数据库、函数和安全协议串联在一起。中间件构建在平台层（Platform Layer）之上，平台层由一个操作系统构成，并得到内核（kernel）和设备驱动程序（device driver）的支撑，后者负责管理内存和 CPU 时间等各种硬件元件的运作（GeeksforGeeks, 2020）。硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer）和物理层在软件与为其提供动力的硬件之间架起桥梁。在硬件平台层、硬件抽象层和物理层之间及其上下，分布着嵌入式软件和固件（firmware）。嵌入式软件和固件是两类比典型的中间件层或应用层代码「更贴近」硬件的软件。例如，固件可能被用来执行模拟-数字或数字-模拟转换之类的底层任务。这两个术语可以互换使用，不过嵌入式软件通常指那些影响设备较高层级特性或功能的代码，它往往比固件离核心电路「更远」一些。所有这一切都构建在硬件层（Hardware Layer）之上，而硬件层由我们在本书中所学习的物理电路和核心硅（silicon）构成。
图 7-4 宏观系统栈
图示为分层堆叠结构，从上到下各层依次为：应用层（Application Layer）——用户界面与通信协议；中间件层（Middleware Layer）——应用与安全框架；平台层（Platform Layer）——包含内核和设备驱动的操作系统；硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer）——软件与硬件的接口；物理层（Physical Layer）——软件与硬件交互层；硬件层（Hardware Layer）——集成电路与核心硅（Integrated Circuitry & Core Silicon）。
射频与无线——全局视野
到这里，你应该对射频设备的内部运作原理有了大致的了解，但这一整个设备网络究竟是如何协同工作，把你最爱的节目送到你眼前、让你和另一座城市的朋友通话、或者把你接入互联网的呢？
为了理解无线网络系统的这幅「全局图景」，我们将追踪一通典型的长途电话所走过的路径（见图 7-7）。
首先，一部正在通话的手机会（从其发射器的天线）发射出一个信号，这个信号很可能被一座手机信号塔或基站（base station）接收到。基站是一个中继点，它把服务网络延伸到某个特定区域（Commscope, 2018）。由于射频信号传播得越远，强度和精确度损失得就越多（这是由于干扰和噪声），服务提供商为此在全球各地花费了数十亿资金，构建起一张张稳健的基站网络，以确保你不会丢失信号（Commscope, 2018）。
你可以把基站想象成一台巨大的接收器兼发射器，它带有一个路由器，负责接收一通打入的电话或一段广播，并在信号通往其预定目的地的途中，把它定向并放大，送往另一座基站或「信息交换中心」（Wright, 2021）。基站形态各异、大小不一——手机信号塔、楼顶上的小型基站，以及你在高速公路边看到的那些蹩脚地伪装成树木的天线，全都是基站（Commscope, 2018）。每座基站都有一个覆盖范围，称为覆盖小区（coverage cell），而由众多小区拼接而成的整体，就构成了一家服务提供商的覆盖区域。一条经验法则是：小区越小，信号强度越大（距离越短＝干扰和噪声越少），但覆盖面积也越小（Weisman, 2003）。你之所以可能在偏远地区徒步时信号糟糕，是因为你离任何一座手机能够连接的基站都太远了。服务提供商一直在权衡更强网络所带来的好处与其相应的成本（更多的基站）。我们在图 7-5 中总结了主要的小区类型，并可以在图 7-6 中看到它们各自覆盖范围的图示。
图 7-5 不同类型的基站
图示展示四种基站类型：①宏蜂窝（Macro Cell）——大型铁塔，覆盖范围广，塔高 50–200 英尺，覆盖半径可延伸数英里至 20 英里以上；②微蜂窝（Micro Cell）——电线杆安装设备，约比萨盒大小，覆盖街区或小区，典型覆盖半径略超 1 英里；③微微蜂窝（Pico Cell）——小型杆装设备，覆盖楼宇或街道级别，典型覆盖半径约 200 码；④楼宇内部系统（In-Building Systems）——车牌大小的极小设备，提供楼层或房间级覆盖，也称毫微微蜂窝（femtocell）或家庭基站（home base station）。
图 7-6 不同类型的覆盖小区
图示以同心圆示意覆盖范围：最外层为全球（Global，卫星 Satellite）；其次为郊区（Suburban，宏蜂窝 Macro-Cell）；再次为城市（Urban，微蜂窝 Micro-Cell）；最内层为楼宇内（In Building，微微蜂窝 Pico-Cell）及室内（In-Room，WiFi/BlueTooth）。
在接收到来自你手机的信号之后，基站接着会把你的通话送往一个中央交换中心，从那里它可以被路由到许许多多的地方。举例来说，如果是一通跨越全国的通话，你的电话很可能会被路由到一颗卫星，再由卫星把通话路由到一个靠近通话目的地的交换中心。那个交换点随后会把通话路由到另一座基站或一条固定电话线路，最终把通话接通给预定的接收方。
图 7-7 长途电话的信号路径
图示展示长途通话的完整信号路径：手机（Cell Phone）→基站（Base Station）→信息交换中心（Information Exchange Center）→全球传输节点（Worldwide Transfer Location，地球图标）；同时信息交换中心还与天线中继（Antenna Relay，楼顶天线）和固定电话线路（Land Line）相连，天线中继再连接移动设备（Mobile Device，轿车）。
当然，直接通过卫星或固定电话线路连接也是一种可能（卫星电话和有线电视就是这么来的），而且在很多时候，硬连接会被用来在一个枢纽与另一个枢纽之间进行路由。硬连线的信息传输在处理时间和信息完整性方面表现极佳，但成本可能非常高昂，因此它通常被用于较短的距离、用于交换中心之间大量的数据传输，以及那些对速度格外看重的用途（Weisman, 2003）。举例来说，从事高频金融交易的公司，已经花费了数十亿资金，从芝加哥到纽约铺设光纤电缆，只为把金融数据抵达其交易中心所需的时间缩短哪怕几毫秒。即便你是用固定电话打电话，如果通话的接收方并不住在离你居住地很近的范围之内，那么你的通话很有可能正通过卫星或长途光纤电缆，被无线地路由到一个更靠近其最终目的地的路由中心。
广播与频率监管
在可用带宽有限、设备和用户却如此之多的情况下，任何一个给定的时刻，都有数量多到令人眼花缭乱的射频信号在空中飞来飞去。
如果一座基站在同一时间接收到不止一通电话，它怎么知道哪个信号是哪个、以及每个信号应该发往何处？为了缓解这个问题，FCC 对频谱频率的严格监管确保了我们不会让电磁频谱中重要的部分被过多的「信号污染」所充斥（Weisman, 2003）。FCC 规定哪些频段可以用于什么，这样你的通话才不会干扰到你邻居对《与卡戴珊一家同行》（Keeping Up with the Kardashians）的痴迷。这些频段是一种有限而宝贵的资源，因此服务提供商有充分的理由竭尽所能，用分配给自己的固定带宽发送尽可能多的信息。
解决这个问题需要用到许多复杂的技术，我们将在接下来的几节中加以介绍。
数字信号处理
数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）被用来实时处理信号，并在模拟信号与数字信号之间进行转换。在射频和无线通信中，DSP 技术运用精巧的数学和计算方法，把更多的信息装进一个给定的数字信号里。通过把更多信息塞进同一个信号，我们就能用同样有限的频率带宽，把多得多的内容从一处传到另一处。DSP 借助精巧的算法来编码并压缩某一段信息所需占用的「频率空间」，从而实现这一点，这一过程称为信号压缩（signal compression）。信号压缩可以是无损的，即利用特殊算法以更少的存储空间编码出完全相同的信息；也可以是有损的，即运用关于人类能看到和听到什么的复杂理论，只存储我们能够感知到的那部分信息。
第二类需要理解的重要技术，是各种不同的多址接入（multiple access）标准。本质上，多址接入标准技术使服务提供商能够把多通电话路由通过同一座基站，或者说在一个给定的带宽量之内进行路由。如今最常用的两种多址接入技术是 TDMA 和 CDMA。
时分多址与码分多址
TDMA（时分多址，Time Division Multiple Access）把通话分离开来，或者用工程行话说，进行多路复用（multiplex），使它们在同一频率信道内被纳入一个时间域：先把通话者的语音转换为数字比特（bit），再把这些数字比特切分成一个个界定好的时间「块」。来自不同对话的这些通话时间「块」，随后被一个接一个地、用同样很小的一段带宽（这正是我们所说的信道，channel）发送出去。这一切之所以行得通，是因为语音其实是一种带宽非常低的信号。语音通常以 4kHz 进行采样，如果 TDMA 信道有 4MHz 的带宽，我们就能把 1000 路语音信号塞进那一个信道里。
你或许会以为，把一段对话切成这么多小块、再分开发送，会导致一团乱到无法听懂的糟粕。TDMA 的神奇之处在于，系统能够把这些「对话块」重新拼接起来，速度快到对话中察觉不到任何停顿，尽管每个块被接收到的时刻之间其实是有间断的（ITU, 2011）。而且别忘了，所有这些元件都在以极快、极快的时钟速度运行。一块 1GHz 的芯片（每秒 10 亿次运算），能在短短一毫秒内对你的通话数据执行一百万次运算。相信我，你绝对不会察觉到。
你可以把 TDMA 想象成两名杂技演员，沿着同一条路径相互抛接不同颜色的球（每种颜色代表一段不同的对话），然后把球分别投进各自独立的「通话桶」里。在这个比喻中，杂技演员抛球的速度可以快到，看上去就像他们只是在玩一个简单的接球游戏，而对话另一端的听者那边，对话则没有任何停顿。
另一方面，CDMA（码分多址，Code Division Multiple Access）则使用算法对数字化的语音比特或其他数据进行编码，并把它通过一条更宽的信道（更大的频率范围）传输出去，再在接收端进行「解码」（ITU, 2011）。CDMA 不是在某条给定信道上轮流决定由哪台设备发送哪些比特，而是能够同时把数据从众多发送方传给众多接收方，并利用算法和数字信号处理（DSP）技术，确保数据完好无损地抵达正确的地方。
图 7-8 帮助我们把杂技演员的比喻变得活灵活现。TDMA 把数据多路复用成一个个块，使它们能够一个接一个地用同一条频率信道发送出去；而 CDMA 则利用数字信号处理，在一条更宽的频率信道上同时发送数据。闪电般快速的数字信号处理技术，帮助这两种方法都建立起不间断的信号和强劲、不间断的服务。
图 7-8 用杂技演员比喻 TDMA 与 CDMA 的区别
图示分两部分：上方为杂技演员抛球场景，两名演员沿同一弧线互抛标有「Call 1」「Call 2」「Call 3」的不同颜色球，落入各自桶中，形象地展示多路通话复用。下方为频率-时间坐标图对比：左图（TDMA）纵轴为频率（Frequency），横轴为时间（Time），显示在同一频率上分时传输的多列数据块；右图（CDMA）纵轴为频率（Frequency），横轴为时间（Time），显示同一时间段内跨越更宽频率范围的多层数据块，体现了 CDMA 的宽频同时传输特性。
这两种技术在实践中分别应用于何处？TDMA 是全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）的基础技术，也是全球通信网络的主要标准。在美国，AT&T 等运营商采用 GSM，而 Verizon Wireless 则使用 CDMA。
从 1G 到 5G——一部演进史
电信和无线技术的世界始终在不断演进——下面是一幅广角视图，展现我们已经走了多远（Vora, 2015）。最初的 1G 技术只能传输 4kbps，而今天的 5G 技术可以传输高达 1,000,000kbps（1Gbps），几乎是前者的二十五万倍！
1G——第一代（First Generation）：这是手机技术最初问世的时期，始于 20 世纪 70 年代末。最早的手机又大又笨重，电池续航糟糕透顶。它们使用模拟技术，把射频模拟「波」信号无线地从 A 点发送到 B 点。
2G——第二代（Second Generation）：在这一代，手机借助调制（modulation）技术，如今已能无线传输数字数据。CDMA 和 GSM 技术应运而生，使服务提供商能够以更低廉的成本连接更多的设备，尽管所提供的服务仅限于语音通话和文字短信（SMS）。
3G——第三代（Third Generation）：在语音和短信服务的基础上，3G 技术把无线能力进一步扩展到电子邮件、视频流媒体、网页浏览，以及其他让「智能手机」成为可能的技术。
4G——第四代（Fourth Generation）：建立在硬件技术进步之上的高速连接，让更快的数据传输、移动游戏、视频会议、高清内容交付以及云计算能力成为可能。
LTE（长期演进，Long-Term Evolution）——你会经常看到服务提供商把这个词和 4G 连用（即「4G LTE」），用来把自家服务宣传得比竞争对手更好、更快。而实际上，LTE 只是一个行业标准，用来确保构成我们电信网络的各种设备、接入点、基站、卫星以及其他元件能够彼此协同工作，组成一个庞大而功能完备的系统。LTE 这样的标准，有助于确保不同的技术公司能够开发出可以与系统其他部分协同工作的产品——如果你不希望每次手机被路由到一座由不同网络提供商运营的信号塔时服务就中断，那么这一点相当重要。
5G——第五代（Fifth Generation）：尽管你大概到处都能看到 5G，但这一代网络技术仍在开发之中，其设计目标是让 4G 变得快得多、也高效得多。为了提供更高的「数据吞吐量」连接速度，5G 技术将需要一张由数千座信号塔和数万个小型蜂窝天线小区构成的稳健网络，部署在各个覆盖区域之内。
我们可以在图 7-9 中看到从 1G 到 5G 的演进历程是如何展开的。自 20 世纪 70 年代 1G 消费级模拟系统问世以来，电信基础设施和无线技术迅速演进，全方位地为企业和消费者带来了更强的连接性和性能。6G 网络已经在开发之中，以支持各种新的、对数据需求极大的应用，并推动这一领域的持续增长。
图 7-9 5G 的演进历程
图示横向展示从 1G 到 5G 的演进时间线，配以不同年代的代表性手机形态：1G（1979）——模拟通信（Analog Telecommunications）；2G（1991）——语音通话、文字短信（Voice Communications, Text Messaging）；3G（1998）——移动与无线互联网接入、电子邮件、网页浏览（Mobile & Wireless Internet Connection, E-Mail, Web Browsing）；4G（2008）——移动游戏、云能力、IP 与真正移动宽带、视频会议（Mobile Gaming, Cloud Capability, IP & Truly Mobile Broadband, Video Conferencing）；5G（2019）——无限数据容量、更高数据吞吐量、高清流媒体视频（Unlimited Data Capacity, Higher Data Throughput, High Def Streaming Video）。
无线通信与云计算
虽然从 1G 到 5G 的演进带来了数据传输能力的指数级提升，以及移动游戏、视频会议、高清视频流媒体等全新技术，但这些更快的速率也催生出对云计算（cloud computing）永不满足的需求。对我们许多人来说，「云」是一个难以捉摸的谜，但它其实是一个比人们想象中简单得多的概念。我们所说的云，其实只不过是无数台服务器，安置在被称为数据中心（data center）的巨大机房里。通过把应用存储或托管在性能更高的计算机上，企业和消费者就能存储信息、运行应用、扩充算力，而无需投资和管理自己全部的基础设施。这一切之所以可能，全靠如今的通信网络如此之快。如果你每次查看云端价值 1MB 的照片时都得用你那台 56k 调制解调器，你根本不会想到要把照片存在云里。但当数据交换速率快如闪电时，既然你能在几秒钟内访问到自己所有的照片、音乐和电影，又何必去买一块外置硬盘，或一部顶配的 512GB iPhone 呢？同理，既然 AWS（Amazon Web Services）或 Google Cloud 能以零头般的成本、省去诸多麻烦地替你搞定，你又何必去搭建一台私有的公司服务器呢？在过去这二十来年无线创新大爆发之前，制约数据中心这类集中化计算运营的瓶颈，在于把数据在终端用户之间搬来搬去。随着这一瓶颈被缓解，云计算已然站稳脚跟、不会离去。如今问题已经从有限的带宽，转变为如何建设并为数据中心基础设施供电，以支撑不断膨胀的需求。
图 7-10 展示了两座数据中心的实例：左图是 Microsoft 用于处理和分发 Bing 地图数据的集装箱式数据中心，右图是 Google 位于美国爱荷华州 Council Bluffs 的数据中心鸟瞰图（Scoble, 2020）（Davis, 2019）。该数据中心拥有约 2 万平方米的空间，但与香港中国电信数据中心相比简直微不足道——后者面积超过 93 万平方米，是目前全球最大的数据中心（Kumar, 2022）！
图 7-10 Microsoft Bing 地图团队使用的数据中心（左）与 Google 位于美国爱荷华州 Council Bluffs 的数据中心（右）（Scoble, 2020）（Davis, 2019）
第七章小结
在本章中，我们深入探究了电磁频谱中的射频部分，并了解到不同的频率带宽是如何受到 FCC 精心监管的。接着，我们把所有射频系统的两大主要组成部分——发射器和接收器——拆解为它们各自的构成部件。通过把六个主要子元件——振荡器、调制器、放大器、天线、滤波器和电源——与成千上万个独特的无线构建模块交织在一起，工程师们得以构建出能够实现长距离、高频率远程处理和移动通信的精巧系统。在分析完射频子元件之后，我们退后一步，以更宽广的视角审视了 OSI 参考模型和更广义的宏观系统栈。由此出发，我们比较了不同类型的基站，并追踪了一个信号从一位身处异国的主叫方出发、横跨全球、抵达地球另一端某个接收方的路径。在追踪完一通从世界这一端打到另一端的电话之后，我们思索了这样一个问题——如此众多的信号，是如何使用同样的带宽和空域来传播的？我们在 TDMA、CDMA 和数字信号处理技术中找到了答案，它们借助不同的信号切分与定时方案，帮助把吞吐量最大化。我们顺着这些优化带宽的技术，走过了电信领域的演进历程，从 20 世纪 80 和 90 年代的第一代模拟设备，一直走到今天仍在开发之中的高频 5G 网络。最后，我们触及了无线技术进步所带来的下游影响，以及云计算的兴起。
所有射频系统都依赖射频发射器和接收器来发送和接收信息。借助 TDMA、CDMA 和 DSP 等技术，服务提供商和设备制造商得以从有限的带宽中榨取出尽可能多的容量。随着技术的进步，每一代相继出现的无线设备和电信基础设施，都提升了我们能够通过无线电波发送和接收的内容。作为几乎所有射频系统赖以建立的基石，半导体彻底改变了我们彼此交流、自我娱乐以及处理信息的方式。
你的个人半导体意识测验（SAT）
为了确保你的知识能够在通读全书的过程中不断积累、层层递进，下面是与上一章内容相关的五道题。
我们说「RF」时，具体指什么？哪些关键特性将一个射频信号与另一个区分开来？
FCC 是如何管理共享的频率带宽的？人们用哪些技术把更多的信息装进给定的一段带宽里？每一种技术又是如何完成这项任务的？
说出任意一台发射器或接收器的五个关键基本元件。第六个元件是什么，又是什么让它与众不同？
为什么物理层在 OSI 模型中如此重要？另外六层分别是什么，它们各自如何发挥作用？
是什么让每一代电信技术各具特色？这些进步又是如何促成了云计算的成长与成功的？