【E課堂】解析通訊組件：由基帶、中頻、射頻零部件

　　在《解析通訊技術(上)》與《解析通訊技術(下)》中，我們了解到無線通訊的頻譜有限，分配非常嚴格，相同頻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(diào)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 不同通訊世代技術的發(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(diào)變技術與多任務技術

　　首先我們要了解“調(diào)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)碼訊號調(diào)變技術(ASK、FSK、PSK、QAM)：將模擬的電磁波調(diào)變成不同的波形來代表0 與1 兩種不同的數(shù)碼訊號。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)碼訊號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)碼訊號調(diào)變技術或多任務技術，都是在數(shù)碼訊號(0 與1)進行運算與處理的時候就一起進行，一般是先進行多任務技術再進行數(shù)碼訊號調(diào)變技術(OFDM 除外)，所以多任務技術與調(diào)變技術必定是同時使用。

　　數(shù)碼調(diào)變技術(Digital modulation)

　　現(xiàn)在的手機是屬于“數(shù)碼通訊”，也就是我們講話的聲音(連續(xù)的模擬訊號)，先由手機轉換成不連續(xù)的0與1兩種數(shù)碼訊號，再經(jīng)由數(shù)碼調(diào)變轉換成電磁波(模擬訊號載著數(shù)碼訊號)，最后從天線傳送出去，原理如圖一所示。

　　▲ 圖一：數(shù)碼通訊示意圖。(Source：the Noun Project)

　　數(shù)碼通訊系統(tǒng)架構

　　數(shù)碼通訊系統(tǒng)的架構如圖二(a)所示，使用者可能使用智能手機打電話進行語音通信或上網(wǎng)進行資料通信，我們分別說明如下：

　　▲ 圖二：通訊系統(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訊號，經(jīng)由低頻模擬數(shù)碼轉換器(ADC)轉換為數(shù)碼訊號，經(jīng)由“基帶芯片(BB)”進行資料壓縮(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(diào)變(Modulation)等數(shù)碼訊號處理，如圖二(b)所示。

　　接下來經(jīng)由“中頻芯片(IF)”也就是高頻數(shù)碼模擬轉換器(DAC)轉換為高頻模擬訊號(電磁波);最后再經(jīng)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(jīng)由“射頻芯片(RF)”處理后得到高頻模擬訊號(電磁波)，再經(jīng)由“中頻芯片(IF)”也就是高頻模擬數(shù)碼轉換器(ADC)轉換為數(shù)碼訊號。

　　接下來經(jīng)由“基帶芯片(BB)”進行解調(diào)(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)、頻道解碼(Channel decoding)、解循環(huán)式重復檢查碼(CRC)、資料解壓縮(Decoding)等數(shù)碼訊號處理，最后再經(jīng)由低頻數(shù)碼模擬轉換器(DAC)轉換為低頻模擬訊號(聲音)由麥克風播放出來。

　　資料通信(上網(wǎng))：基本上資料通信不論上傳或下載都是數(shù)碼訊號，所以直接進入基帶芯片(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：通訊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，一般人對通訊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)碼：傅立葉轉換(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)碼通訊系統(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)。

　　無線通訊系統(tǒng)架構

　　基于前面的介紹，我們來看看智能手機里幾個重要的集成電路(IC)，主要包括：基帶(BB)、中頻(IF)、射頻(RF)三個部份，如圖三所示，每個部分都可能有一個到數(shù)個集成電路(IC)，也有可能是把數(shù)個集成電路(IC)封裝成一個，稱為“系統(tǒng)單封裝(System in a Package，SiP)”，或把數(shù)個芯片整合成一個，稱為“系統(tǒng)單芯片(System on a Chip，SoC)”。

　　▲ 圖三：無線通訊系統(tǒng)架構示意圖。

　　基帶芯片(Baseband，BB)：屬于數(shù)碼集成電路，用來進行數(shù)碼訊號的壓縮/解壓縮、頻道編碼/解碼、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(diào)變/解調(diào)，以及管理通訊協(xié)定、控制輸入輸出界面等運算工作，著名的移動電話基帶芯片供應商包括：高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、邁威爾(Marvell)、聯(lián)發(fā)科(MediaTek)等。

　　調(diào)變器(Modulator)：將基帶芯片處理的數(shù)碼訊號轉換成高頻模擬訊號(電磁波)，才能傳送很遠，想要進一步了解通訊原理的人可以參考這里。

　　混頻器(Mixer)：主要負責頻率轉換的工作，將調(diào)變后的高頻模擬訊號(電磁波)轉換成所需要的頻率，來配合不同通訊系統(tǒng)的頻率范圍(無線頻譜)使用。

　　合成器(Synthesizer)：提供無線通訊電磁波與射頻集成電路(RF IC)所需要的工作頻率，通常經(jīng)由“相位鎖定回路(PLL：Phase Locked Loop)”與“電壓控制振蕩器(VCO：Voltage Controlled Oscillator)”來提供精準的工作頻率。

　　帶通濾波器(Band Pass Filter，BPF)：只讓特定頻率范圍(頻帶)的高頻模擬訊號(電磁波)通過，將不需要的頻率范圍濾除，得到我們需要的頻率范圍(頻帶)。

　　功率放大器(Power Amplifier，PA)：高頻模擬訊號(電磁波)傳送出去之前，必須先經(jīng)由功率放大器(PA)放大，增強訊號才能傳送到夠遠的地方。

　　傳送接收器(Transceiver)：負責傳送(Tx：Transmitter)高頻模擬訊號(電磁波)到天線，或是由天線接收(Rx：Receiver)高頻模擬訊號(電磁波)進來。

　　低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)：接收訊號時使用，天線接收進來的高頻模擬訊號(電磁波)很微弱，必須先經(jīng)由低噪聲放大器(LNA)放大訊號，才能進行處理。

　　解調(diào)器(Demodulator)：接收訊號時使用，將高頻模擬訊號(電磁波)轉換成數(shù)碼訊號，再傳送到基帶芯片(BB)進行數(shù)碼訊號處理工作。

　　所以手機上傳(講電話)的原理是：先由基帶芯片(BB)處理數(shù)碼語音訊號，再經(jīng)由調(diào)變器(Modulator)轉換成高頻模擬訊號，由混頻器(Mixer)轉換成所需要的頻率，由帶通濾波器(BPF)得到特定頻率范圍(頻帶)的高頻模擬訊號(電磁波)，由功率放大器(PA)增強訊號，最后由傳送接收器(Tx)傳送到天線輸出。

　　相反的，手機下載(聽電話)的原理是：先由天線傳送過來高頻模擬訊號(電磁波)，由傳送接收器(Rx)接收進來，再經(jīng)由帶通濾波器(BPF)得到特定頻率范圍(頻帶)的高頻模擬訊號，由低噪聲放大器(LNA)將微弱的訊號放大，由混頻器(Mixer)轉換成所需要的頻率，由解調(diào)器(Demodulator)轉換成數(shù)碼語音訊號，最后由基帶芯片(BB)處理數(shù)碼語音訊號。

　　通訊相關集成電路：基帶、中頻、射頻

　　前面介紹的無線通訊系統(tǒng)后端(Back end)使用基帶芯片來處理數(shù)碼訊號，前端(Front end)則所使用的集成電路(IC)大致上可以分為“射頻芯片”與“中頻芯片”兩大類，分別使用不同材料的晶圓制作：

　　中頻芯片(Intermediate Frequency，IF)：又稱為“模擬基帶(Analog baseband)”，概念上就是“高頻數(shù)碼模擬轉換器(DAC)”與“高頻模擬數(shù)碼轉換器(ADC)”，包括：調(diào)變器(Modulator)、解調(diào)器(Demodulator)，通常還有中頻放大器(IF amplifier)與中頻帶通濾波器(IF BPF)等，通常由硅晶圓制作的CMOS 組件組成，可能是數(shù)個集成電路，其些可能整合成一個集成電路(IC)。

　　射頻芯片(Radio Frequency，RF)：又稱為“射頻集成電路(RFIC)”，是處理高頻無線訊號所有芯片的總稱，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，某些可能整合成一個集成電路(IC)。