手機通信都用到了什么通信調(diào)制技術(shù)

無線通信的頻譜有限，分配非常嚴(yán)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(diào)變技術(shù)」(Modulation)與「多任務(wù)技術(shù)」(Multiplex)，來增加頻譜效率，因此才有了 3G、4G、5G 不同通信技術(shù)的發(fā)明，那么在我們的手機里，是什么組件負(fù)責(zé)替我們處理這些技術(shù)的呢?

調(diào)變技術(shù)與多任務(wù)技術(shù)

首先我們要了解「調(diào)變技術(shù)(Modulation)」與「多任務(wù)技術(shù)(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(diào)變技術(shù)(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)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(wù)技術(shù)(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(diào)變技術(shù)或多任務(wù)技術(shù)，都是在數(shù)字信號(0 與 1)進(jìn)行運算與處理的時候就一起進(jìn)行，所以多任務(wù)技術(shù)與調(diào)變技術(shù)必定是同時使用。

數(shù)字調(diào)變技術(shù)(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(zhuǎn)換成不連續(xù)的 0 與 1 兩種數(shù)字信號，再經(jīng)由數(shù)字調(diào)變轉(zhuǎn)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。

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

數(shù)字通信系統(tǒng)架構(gòu)

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

圖二：通信系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

語音上傳(講電話)：聲音由麥克風(fēng)接收以后為低頻模擬信號，經(jīng)由低頻模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)由「基頻芯片(BB)」進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮(Encoding)、加循環(huán)式重復(fù)檢查碼(CRC)、頻道編碼(Channel coding)、交錯置(Inter-leaving)、加密(Ciphering)、格式化(Formatting)，再進(jìn)行多任務(wù)(Multiplexing)、調(diào)變(Modulation)等數(shù)字信號處理，如圖二(b)所示。

接下來經(jīng)由高頻數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換為高頻模擬信號(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(jìn)來，經(jīng)由「射頻芯片(RF)」處理后得到高頻模擬信號(電磁波)，再經(jīng)由高頻模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

接下來經(jīng)由「基頻芯片(BB)」進(jìn)行解調(diào)(De-modulation)、解多任務(wù)(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(fù)檢查碼(CRC)、數(shù)據(jù)解壓縮(Decoding)等數(shù)字信號處理，最后再經(jīng)由低頻數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換為低頻模擬信號(聲音)由耳機播放出來。

數(shù)據(jù)通信(上網(wǎng))：基本上數(shù)據(jù)通信不論上傳或下載都是數(shù)字信號，所以直接進(jìn)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(fù)描述。

注：通信的原理就是一大堆的數(shù)學(xué)，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(jìn)一步了解，但是往往走進(jìn)教室第一堂課看到的就是一大堆復(fù)雜的數(shù)字：傅立葉變換(Fourier Transform)、拉普拉斯轉(zhuǎn)換(Laplace Transform)、離散(Discrete)，立刻就打退堂鼓，為了簡化復(fù)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(jìn)一步了解的人可以立足于上面的概念，來進(jìn)一步了解技術(shù)細(xì)節(jié)。

通信相關(guān)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(jìn)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(wù)/解多任務(wù)、調(diào)變/解調(diào)，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(jīng)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(zhuǎn)換(Direct conversion)」技術(shù)的進(jìn)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(jié)省空間與降低成本，達(dá)到「零中頻(Zero IF，ZIF)」的目標(biāo)。

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)」。