無線通信系統中數據帶寬、載波頻率和載波帶寬的關係怎樣理解？

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無線通信系統中，具有一定數據帶寬的數據流（單位Mbps或Kbps等）經過各種調製（例如BPSK，QPSK，16/64/256QAM），會放到具有一定載波頻率的載波上（比如WCDMA或LTE或802.11使用的各種頻段，2100Mhz/1800Mhz/2.4Ghz/5Ghz等等）進行傳輸。
令我困惑的是，在調製方式不是FM（即非調頻，例如我上面舉例的那些調製方式）的情況下，為什麼載波會擴展到一定的帶寬上進行傳輸？（例如WCDMA的5Mhz，TD-SCDMA的1.6Mhz，LTE的1.4-20Mhz，802.11的20-160Mhz）。在我的理解中，載波經過非FM調製後，頻率應該是單一固定的，只是相位和振幅發生了變化，為什麼實際調製出來的波是在一定頻率範圍內波動的？
總結為一句話就是我題目中所說的：無線通信系統中數據帶寬、載波頻率和載波帶寬的關係怎樣理解？

或者說，為什麼一定數據帶寬的數據流在非FM調製時還要佔據一定的頻率帶寬呢？
還請盡量從容易形象理解的角度回答。理論上的解釋我知道一些（例如香農公式啊，碼片速率和帶寬的關係啊等等）但一直難以形象的去理解。
困惑了好久，非常希望有高人解惑一下，感謝再感謝。

謝邀。Good question.

1. 為什麼要有調製？

因為實際要傳輸的信號通過的是模擬信道，想要將發送端的信號從一邊傳到另一邊，發送的信號必須具有適合相應信道的物理形式（囧，好拗口）。比如說我想通過一個電話網路發一段數字信號，

但是由於電纜自身構造的問題，頻率太高的信號衰減得很快，那麼我就要控制發送端的波形，讓它在頻譜圖上的寬度不至於太寬以至衰減太快。就像下面這樣。

橫軸是頻率f，紅線往右表示對高頻有很大的衰減。那麼作為發送端，就要控制信號的形式，使其盡量不超過紅線。

2. 基帶信號。

什麼是基帶信號？假設我的通信系統用的是電話線，那麼傳輸的信號就是基帶信號，因為頻率很低，基本上集中在零頻。下圖是一段基帶信號。

然後做一個Fourier Transform，頻譜大概是下面這個樣子。

當然，具體在頻譜上呈現什麼樣子取決於基帶信號選擇什麼波形。一般來說，信號在頻率軸上面占的寬度和在時間軸上每個脈衝波的時長成反比。所以，不同的調製模式會導致信號佔用不同的帶寬。BPSK在一個時隙里能傳一個信號，QPSK在一個時隙能傳兩個信號，16QAM在一個時隙能傳4個信號（大概是4個，記得不太清楚）。然後導致16QAM佔用的帶寬高於QPSK，QPSK高於BPSK。

3. 載波。

為什麼要有載波？

如果你用的是電話線這樣的有線傳輸信道，基本上就沒載波什麼事了，這條電纜上的頻譜都是你的，想怎麼用就怎麼用。但是！如果用的是無線信道，那載波就很有必要。因為無線頻譜是公共的，誰都可以在上面傳輸，如果不加任何限制的話，你傳這個信號我傳那個信號，大家相互干擾然後最後結果就是誰都別想有好的接收信號。所以政府會規定哪一段信號可以用來幹什麼，比如說GSM只能在900MHz上面的某一段傳輸，3G下面WCDMA用1.8GHz上面5MHz。但是基帶信號基本只集中在0Hz附近，怎麼弄到900MHz或者1.8GHz呢？這個時候就要用到載波了。載波自身不具有任何信號，它只是信號的搬運工。就像下圖。

一般來說，載入波就是對原信號乘以一個$cos(2 pi f t)$。注意一下，不同的調製模式決定的是佔用的帶寬，所謂WCDMA的5Mhz，TD-SCDMA的1.6Mhz，LTE的1.4-20Mhz，802.11的20-160Mhz 指的是上面這幅圖裡那個信號的寬度有多大。而載波決定的是頻率中心點，就是上圖中那個波形的中心位於頻率軸的哪個地方。

最後，一語以蔽之，無線信號剛從發送端的天線出來的時候，會具有這樣的數學表達式：

$a_n$是真正有意義的信號，也就是0101之類的東西；T是每個波形佔用的時隙，就是每個波形會持續多長時間，然後p(t-nT)取決於調製的模式，不同的調製模式會導致p(t)有不同的表達式；最後$cos(2 pi f t)$就是載波了，f 決定了你要把這個信號搬到頻譜軸上的哪個地方。最最後提一下，其實調製的定義很模糊，你可以說把信號變成合適的波形是調製，載入波是另外的事情；也可以說把信號變成合適的波形和載入波是一個東西。反正最終只要能通過一定的方法把信號從一端發出去，再在另一端收回來，就完成了調製解調啦。

帶寬反映信號變化快慢的劇烈程度，如果頻率是單一的固定的，帶寬為0，也就是說信號不會變化。一個恆定不變的東西怎麼承載信息呢？

題主首先要分清模擬調製和數字調製。FM、AM屬於模擬調製，而PSK、FSK等屬於數字調製。建議題主先去翻一翻通信原理的相關章節。

手機作答比較簡略，有時間細說

數據帶寬，指信源編碼後的信號帶寬。

載波頻率，也叫載頻點，指射頻調製後信號的中心頻率。

載波帶寬，沒有這個概念。在多頻調製中，雖然有多個載波，但依然可以用載頻點和已調信號帶寬來表達。

例，用戶講話被轉變為9.6kbps的數據流，然後同高速數據流乘，得到1.2288Mbps的高速流，這就是擴譜，然後乘以頻率為800MHz的正弦波，完成射頻調製。第一個數字是數據帶寬，第二個是已調信號帶寬的一半，第三個是載頻點。

首先概念有點不準確，我覺得應該是數據速率，載波頻率，帶寬（和載波沒啥關係）。

你去看看各種調製方法最後形成的數學公式。

以簡單的調幅AM為例，載波為cos(wt)，被調信號為一個s(t)，那麼調製完的信號就是y(t) =cos(wt)s(t)。不管s(t)是什麼XX原始信號，它在頻譜上都會是帶有豐富的諧波（這個就不要說了吧，具體參考傅里葉變換，就算原始信號是一個正餘弦波，那也是另外一個頻點），所以調製完的信號y(t)在頻域上就不可能是單個載波頻點了。而是豐富諧波的一個頻譜分布（實際上只要不是周期正餘弦信號，它的頻譜是無限的，只是周期信號頻點離散，非周期信號頻譜是連續的，而且有些頻譜分量很小，就可以忽略不計。就像下圖），

這個頻譜的主要寬度（去掉那些忽略不計的）就可以認為是發送這個原始信號所需的帶寬了，只不過用載波調製後中心頻率搬移到了載波的頻率點，帶寬還是一樣的。這樣能解釋帶寬概念了吧。

"為什麼一定數據帶寬的數據流在非FM調製時還要佔據一定的頻率帶寬呢？ "

如上所述，原始信號本身就佔了帶寬，調製出來的哪裡只是一個頻率點？y(t)用傅里葉展開算算看。

那帶寬和數據速率什麼關係呢？因為帶寬就像高速公路的車道數一樣，影響了最大的數據率。具體可以看這個：

[轉載]帶寬和速率關係_羈鳥返舊林_新浪博客

你想實現的通信速率越高，就需要越大的帶寬。

另外，如果說帶寬和載波之間有啥關係的話，那就是RF設計的時候，得考慮濾波器的設計，濾波器需要做到濾除這個帶寬範圍外的其他信號，載波頻率相對越高，也就是濾波器中心頻率越高，濾波器更容易實現。比如假如說你的中心頻率是80M，帶寬也是160M，那這個濾波器帶寬得覆蓋0-160M的頻譜，中心頻率這麼低的寬頻濾波器這得有多難。假如載波是5G，那濾波器實現起來就簡單多了（主要是物理器件的限制）。

還有一點，帶寬概念不是指單一載波上的帶寬，比如802.11n，802.11ac裡面的20M，40M，80M帶寬概念，由於採用的是ofdm技術，是指通信的時候所有子載波總共所需的頻譜帶寬。帶寬越大，子載波數目越多。但是單個子載波的帶寬又是固定的。

以上。希望回答了你的問題。

看來給樓主解答整個問題，還得是從感性角度，原生態回答。我下面的回答不一定對，個人理解，但是會盡量少出現晦澀概念把。不過傅里葉，頻帶，頻譜之類的基本還是要有的。假設樓主了解QAM等調製方式，也就是用不同相位、振幅的波形表示若干個bit。經過QAM調製之後的波形是如圖所示這樣的，可以用一個載波周期傳遞一個碼形（圖示），或者說symbol，或者說碼元。也可以用多個載波周期傳遞一個碼元（就不畫了，腦補，每個波形旁邊複製一份就可以了）。

這兩者什麼區別？區別很顯然就是，2個周期一個碼元，相比1個周期一個碼元，線路上信號的變化劇烈程度降低了。變化越不劇烈，耗費頻寬越小。這樣，結論就有了，無線信道，每個信道頻寬都是定死的，誰也不能超出，否則就沒法管理了；信道載波頻率也是定死的（每秒流過的波形數定死了），那麼讓你算一下該信道，必須多少個載波周期傳一個碼元，怎麼算？你就得知道一個規律才能算出來，那就是，碼元周期數，與其佔用的帶寬之間是什麼關係？經典定律該出場了：奈奎斯特的那個公式，這就是奈奎斯特計算總結出來的，比特率和帶寬的公式，結果發現，比特率其實和載波頻率無關，其中某步計算給約掉了！有理由相信，載波頻率越高，用同樣載波周期數傳遞一個碼元的話，由於單位時間內變化更加劇烈了，所以耗費的頻寬也越大，但是此時你可以用更多載波周期數表示一個碼元，這就又給把帶寬降下來了，而比特率卻不變，所以，載波頻率其實就給約掉了。最終，比特率只與帶寬和每個碼元承載的bit數有關，想要更快傳遞數據，那線路波形就得更快的變化，要麼加大載波頻率同時帶寬也越大，要麼相同載波頻率下，降低表示每個碼元的載波周期數，同樣也會加大帶寬，所以可以看到，最終其實都會統一反映到帶寬的變化上。

我從信號與系統的角度給個標準答案

調製信號是有一定帶寬的，調製載波通過時域乘法完成。

根據傅立葉理論，時域的乘法相當於頻域的卷積。根據這個理論--&>

信號具有一定的帶寬，頻譜有一定形狀。載波是單個脈衝。這兩個卷積的效果是什麼？

結果就是在載波脈衝那裡，疊加了信號的頻譜。

這是最專業的解釋，希望樓主喜歡。

都不給不結論，我來回答。

實際應用中，載波頻率越高，越容易實現高的調製帶寬。簡單說:載波頻率越高，帶寬越高

正如題主所說，數據本身就不是單一頻率信號構成的，所以與載波調製後的波肯定是一定頻率範圍內的波，所以通信時會有波段。調製是數據信號和載波信號的共同作用，不能單獨拿一個出來分析。至於為何要把信號加到載波上，我想高頻老師應該都講過了吧。

推薦閱讀《LTE教程：原理與實現》第2版的第2章，裡面講到了這個問題。

假設傳遞的信息只有單一的頻率，而不是佔用一定的帶寬，那麼它的信息量是0。