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手機通信都用到了什么通信調制技術

2017-04-06

 無線通信頻譜有限,分配非常嚴格,相同帶寬的電磁波只能使用一次,為了解決僧多粥少的難題,工程師研發(fā)出許多「調變技術」(Modulation)與「多任務技術」(Multiplex),來增加頻譜效率,因此才有了 3G、4G、5G 不同通信技術的發(fā)明,那么在我們的手機里,是什么組件負責替我們處理這些技術的呢?

調變技術與多任務技術

首先我們要了解「調變技術(Modulation)」與「多任務技術(Multiplex)」是完全不一樣的東西,讓我們先來看看它們到底有什么不同?

數(shù)字信號調變技術(ASK、FSK、PSK、QAM): 將模擬的電磁波調變成不同的波形來代表 0 與 1 兩種不同的數(shù)字信號。ASK 用振幅大小來代表 0 與 1、FSK 用頻率大小來代表 0 與 1、PSK 用相位(波形)不同來代表 0 與 1、QAM 同時使用振幅大小與相位(波形)不同來代表 0 與 1。

好啦,每個人的手機天線要傳送出去的數(shù)字信號 0 與 1 都變成不同波形的電磁波了,問題又來了,這么多不同波形的電磁波丟到空中,該如何區(qū)分那些是你的(和你通話的),那些是我的(和我通話的)呢?

多任務技術(TDMA、FDMA、CDMA、OFDM): 將電磁波區(qū)分給不同的使用者使用。TDMA 用時間先后來區(qū)分是你的還是我的,F(xiàn)DMA 用不同頻率來區(qū)分是你的還是我的,CDMA 用不同密碼(正交展頻碼)來區(qū)分是你的還是我的,OFDM 用不同正交子載波頻率來區(qū)分是你的還是我的。

值得注意的是,不論數(shù)字信號調變技術或多任務技術,都是在數(shù)字信號(0 與 1)進行運算與處理的時候就一起進行,所以多任務技術與調變技術必定是同時使用。

數(shù)字調變技術(Digital modulation)

現(xiàn)在的手機是屬于「數(shù)字通信」,也就是我們講話的聲音(連續(xù)的模擬信號),先由手機轉換成不連續(xù)的 0 與 1 兩種數(shù)字信號,再經由數(shù)字調變轉換成電磁波(模擬信號載著數(shù)字信號),最后從天線傳送出去,原理如圖一所示。

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圖一:數(shù)字通信示意圖。(Source:the Noun Project)

數(shù)字通信系統(tǒng)架構

數(shù)字通信系統(tǒng)的架構如圖二(a)所示,使用者可能使用智能型手機打電話進行語音通信或上網進行數(shù)據通信,我們分別說明如下:

 

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圖二:通信系統(tǒng)架構示意圖。

語音上傳(講電話):聲音由麥克風接收以后為低頻模擬信號,經由低頻模擬數(shù)字轉換器(ADC)轉換為數(shù)字信號,經由「基頻芯片(BB)」進行數(shù)據壓縮(Encoding)、加循環(huán)式重復檢查碼(CRC)、頻道編碼(Channel coding)、交錯置(Inter-leaving)、加密(Ciphering)、格式化(Formatting),再進行多任務(Multiplexing)、調變(Modulation)等數(shù)字信號處理,如圖二(b)所示。

接下來經由高頻數(shù)字模擬轉換器(DAC)轉換為高頻模擬信號(電磁波);最后再經由「射頻芯片(RF)」形成不同時間、頻率、波形的電磁波由天線傳送出去。

語音下載(聽電話):天線將不同時間、頻率、波形的電磁波接收進來,經由「射頻芯片(RF)」處理后得到高頻模擬信號(電磁波),再經由高頻模擬數(shù)字轉換器(ADC)轉換為數(shù)字信號。

接下來經由「基頻芯片(BB)」進行解調(De-modulation)、解多任務(De-multiplexing)、解格式化(De- formatting)、解密(De-ciphering)、解交錯置(De-inter-leaving)、頻道譯碼(Channel decoding)、解循環(huán)式重復檢查碼(CRC)、數(shù)據解壓縮(Decoding)等數(shù)字信號處理,最后再經由低頻數(shù)字模擬轉換器(DAC)轉換為低頻模擬信號(聲音)由耳機播放出來。

數(shù)據通信(上網):基本上數(shù)據通信不論上傳或下載都是數(shù)字信號,所以直接進入基頻芯片(BB)處理即可,其他流程與語音通信類似,在此不再重復描述。

注:通信的原理就是一大堆的數(shù)學,由于手機是我們天天都在用的東西,一般人對通信感多感少都有些好奇想要進一步了解,但是往往走進教室第一堂課看到的就是一大堆復雜的數(shù)字:傅立葉變換(Fourier Transform)、拉普拉斯轉換(Laplace Transform)、離散(Discrete),立刻就打退堂鼓,為了簡化復雜度讓大家容易看懂,上面對于數(shù)字通信系統(tǒng)的介紹只是示意,與實際的情況會有落差,建議有興趣進一步了解的人可以立足于上面的概念,來進一步了解技術細節(jié)。

通信相關集成電路:基頻芯片、中頻芯片、射頻芯片

基頻芯片(Baseband,BB):屬于數(shù)字集成電路,用來進行數(shù)字信號的壓縮/解壓縮、頻道編碼/譯碼、交錯置/解交錯置、加密/解密、格式化/解格式化、多任務/解多任務、調變/解調,以及管理通信協(xié)議、控制輸入輸出接口等運算工作,目前都已經整合成一個「系統(tǒng)單芯片(System on a Chip,SoC)」了,著名的移動電話基頻芯片供貨商包括:高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、邁威爾(Marvell)、聯(lián)發(fā)科(MediaTek)等。

中頻芯片(Intermediate Frequency,IF):由于通信電磁波的頻率很高,要由數(shù)字信號開始直接將信號的頻率提高到電磁波的頻率(GHz)會遇到許多困難,因此可以先以信號頻率比高頻電磁波還低的「中頻」來處理,早期的通信系統(tǒng)有中頻芯片,后來由于「直接轉換(Direct conversion)」技術的進步,可以克服信號靈敏度與噪聲問題,射頻可以直接降為基頻處理,少了中頻芯片可以結省空間與降低成本,達到「零中頻(Zero IF,ZIF)」的目標。

射頻芯片(Radio Frequency,RF):又稱為「射頻集成電路(RFIC)」,是處理高頻電磁波所有芯片的總稱,通常包括:傳送接收器(Transceiver)、低噪聲放大器(LNA)、功率放大器(PA)、帶通濾波器(BPF)、合成器(Synthesizer)、混頻器(Mixer)等,通常由砷化鎵晶圓制作的 MESFET、HEMT 組件,或硅鍺晶圓制作的 BiCMOS 組件,或硅晶圓制作的 CMOS 組件組成,目前也有用氮化鎵(GaN)制作的功率放大器,可能是數(shù)個集成電路(IC),某些可能整合成一個「系統(tǒng)單芯片(SoC)」。


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