3G、4G、5G怎么造？一文看懂手机里的通讯技术

Raina

       无线通信的频谱有限，分配非常严格，相同带宽的电磁波只能使用一次，为了解决僧多粥少的难题，工程师研发出许多“调制技术”与 “多工技术”来增加频谱效率，因此才有了3G、4G、5G不同通信时代技术的发明，那么在我们的手机里，是什么元件负责替我们处理这些技术的呢?

       一、调变技术与多工技术

       首先我们要了解：“调变技术”与“多工技术”是完全不一样的东西，让我们先来看看它们到底有什么不同?

       数码讯号调变技术(ASK、FSK、PSK、QAM)：

       将类比的电磁波调变成不同的波形来代表 0 与 1 两种不同的数码讯号。ASK 用振幅大小来代表 0 与 1、FSK 用频率大小来代表 0 与 1、PSK 用相位(波形)不同来代表 0 与 1、QAM 同时使用振幅大小与相位(波形)不同来代表 0 与 1。

       好啦，每个人的手机天线要传送出去的数码讯号 0 与 1 都变成不同波形的电磁波了，问题又来了，这么多不同波形的电磁波丢到空中，该如何区分那些是你的(和你通话的)，那些是我的(和我通话的)呢?

       多工技术(TDMA、FDMA、CDMA、OFDM)：

       将电磁波区分给不同的使用者使用。TDMA 用时间先后来区分是你的还是我的，FDMA 用不同频率来区分是你的还是我的，CDMA 用不同密码(正交展频码)来区分是你的还是我的，OFDM 用不同正交子载波频率来区分是你的还是我的。

       值得注意的是，不论数码讯号调变技术或多工技术，都是在数码讯号(0 与 1)进行运算与处理的时候就一起进行，一般是先进行多工技术再进行数码讯号调变技术(OFDM 除外)，所以多工技术与调变技术必定是同时使用。

       数码调变技术

       现在的手机是属于“数码通讯”，也就是我们讲话的声音(连续的类比讯号)，先由手机转换成不连续的0与1两种数码讯号，再经由数码调变转换成电磁波(类比讯号载着数码讯号)，最后从天线传送出去，原理如图所示。

       二、数码通讯系统架构

       数码通讯系统的架构如图所示，使用者可能使用智能手机打电话进行语音通信或上网进行资料通信，我们分别说明如下：

       语音上传(讲电话)：声音由麦克风接收以后为低频类比讯号，经由低频类比数码转换器转换为数码讯号，经由“基频芯片”进行资料压缩、加循环式重复检查码、频道编码、交错置、加密、格式化，再进行多工、调变等数码讯号处理。

       接下来经由“中频芯片(IF)”也就是高频数码类比转换器(DAC)转换为高频类比讯号(电磁波);最后再经由“射频芯片(RF)”形成不同时间、频率、波形的电磁波由天线传送出去。

       语音下载(听电话)：天线将不同时间、频率、波形的电磁波接收进来，经由“射频芯片(RF)”处理后得到高频类比讯号(电磁波)，再经由“中频芯片(IF)”也就是高频类比数码转换器(ADC)转换为数码讯号。

       接下来经由“基频芯片(BB)”进行解调(De-modulation)、解多工(De-multiplexing)、解格式化(De-formatting)、解密(De-ciphering)、解交错置(De-inter-leaving)、频道解码(Channel decoding)、解循环式重复检查码(CRC)、资料解压缩(Decoding)等数码讯号处理，最后再经由低频数码类比转换器(DAC)转换为低频类比讯号(声音)由麦克风播放出来。

       资料通信(上网)：基本上资料通信不论上传或下载都是数码讯号，所以直接进入基频芯片(BB)处理即可，其他流程与语音通信类似，在此不再重复描述。

       注：通讯的原理就是一大堆的数学，由于手机是我们天天都在用的东西，一般人对通讯感多感少都有些好奇想要进一步了解，但是往往走进教室第一堂课看 到的就是一大堆复杂的数码：傅立叶转换(Fourier Transform)、拉普拉斯转换(Laplace Transform)、离散(Discrete)，立刻就打退堂鼓，为了简化复杂度让大家容易看懂，上面对于数码通讯系统的介绍只是示意，与实际的情况会 有落差，建议有兴趣进一步了解的人可以立足于上面的概念，来进一步了解技术细节。

       三、无线通讯系统架构

       基于前面的介绍，我们来看看智能手机里几个重要的集成电路(IC)，主要包括：基频(BB)、中频(IF)、射频(RF)三个部份，如图所示，每个部分都可能有一个到数个集成电路(IC)，也有可能是把数个集成电路(IC)封装成一个，称为“系统单封装(System in a Package，SiP)”，或把数个芯片整合成一个，称为“系统单芯片(System on a Chip，SoC)”。

       基频芯片：属于数码集成电路，用来进行数码讯号的压缩/解压缩、频道编码/解码、交错置/解交错置、加密/解密、格式化/解格式化、多工/解多工、调变/解调，以及管理通讯协定、控制输入输出界面等运算工作，著名的移动电话基频芯片供应商包括：高通、博通、Marvell、联发科等。

       调变器：将基频芯片处理的数码讯号转换成高频类比讯号(电磁波)，才能传送很远，想要进一步了解通讯原理的人可以参考这里。

       混频器：主要负责频率转换的工作，将调变后的高频类比讯号(电磁波)转换成所需要的频率，来配合不同通讯系统的频率范围(无线频谱)使用。

       合成器：提供无线通讯电磁波与射频集成电路所需要的工作频率，通常经由“相位锁定回路(PLL：Phase Locked Loop)”与“电压控制振荡器(VCO：Voltage Controlled Oscillator)”来提供精准的工作频率。

       带通滤波器：只让特定频率范围(频带)的高频类比讯号(电磁波)通过，将不需要的频率范围滤除，得到我们需要的频率范围(频带)。

       功率放大器：高频类比讯号(电磁波)传送出去之前，必须先经由功率放大器(PA)放大，增强讯号才能传送到够远的地方。传送接收器(Transceiver)：负责传送(Tx：Transmitter)高频类比讯号(电磁波)到天线，或是由天线接收(Rx：Receiver)高频类比讯号(电磁波)进来。

       低杂讯放大器：接收讯号时使用，天线接收进来的高频类比讯号(电磁波)很微弱，必须先经由低杂讯放大器(LNA)放大讯号，才能进行处理。

       解调器：接收讯号时使用，将高频类比讯号(电磁波)转换成数码讯号，再传送到基频芯片(BB)进行数码讯号处理工作。

       所以手机上传(讲电话)的原理是：先由基频芯片(BB)处理数码语音讯号，再经由调变器(Modulator)转换成高频类比讯号，由混频器(Mixer)转换成所需要的频率，由带通滤波器(BPF)得到特定频率范围(频带)的高频类比讯号(电磁波)，由功率放大器(PA)增强讯号，最后由传送接收器(Tx)传送到天线输出。

       相反的，手机下载(听电话)的原理是：先由天线传送过来高频类比讯号(电磁波)，由传送接收器(Rx)接收进来，再经由带通滤波器(BPF)得到特定频率范围(频带)的高频类比讯号，由低杂讯放大器(LNA)将微弱的讯号放大，由混频器(Mixer)转换成所需要的频率，由解调器(Demodulator)转换成数码语音讯号，最后由基频芯片(BB)处理数码语音讯号。

       四、通讯相关集成电路：基频、中频、射频

       前面介绍的无线通讯系统后端(Back end)使用基频芯片来处理数码讯号，前端(Front end)则所使用的集成电路(IC)大致上可以分为“射频芯片”与“中频芯片”两大类，分别使用不同材料的晶圆制作：

       中频芯片：

       又称为“类比基频(Analog baseband)”，概念上就是“高频数码类比转换器(DAC)”与“高频类比数码转换器(ADC)”，包括：调变器(Modulator)、解调器(Demodulator)，通常还有中频放大器(IF amplifier)与中频带通滤波器(IF BPF)等，通常由矽晶圆制作的 CMOS 元件组成，可能是数个集成电路，其些可能整合成一个集成电路(IC)。

       射频芯片：

       又称为“射频集成电路”，是处理高频无线讯号所有芯片的总称，通常包括：传送接收器、低杂讯放大器(LNA)、功率放大器(PA)、带通滤波器(BPF)、合成器(Synthesizer)、混频器(Mixer)等，通常由砷化镓晶圆制作的 MESFET、HEMT元件，或矽锗晶圆制作的 BiCMOS 元件，或矽晶圆制作的 CMOS 元件组成，目前也有用氮化镓(GaN)制作的功率放大器，可能是数个集成电路，某些可能整合成一个集成电路(IC)。