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(jī)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(hào)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(hào)。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(shí)使用振幅大小與相位(波形)不同來代表 0 與 1。
好啦,每個(gè)人的手機(jī)天線要傳送出去的數(shù)字信號(hào) 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(shí)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(hào)調(diào)變技術(shù)或多任務(wù)技術(shù),都是在數(shù)字信號(hào)(0 與 1)進(jìn)行運(yùn)算與處理的時(shí)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(shí)使用。
數(shù)字調(diào)變技術(shù)(Digital modulation)
現(xiàn)在的手機(jī)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(hào)),先由手機(jī)轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的 0 與 1 兩種數(shù)字信號(hào),再經(jīng)由數(shù)字調(diào)變轉(zhuǎn)換成電磁波(模擬信號(hào)載著數(shù)字信號(hào)),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(jī)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(hào),經(jīng)由低頻模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),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(cuò)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(hào)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(hào)(電磁波);最后再經(jīng)由「射頻芯片(RF)」形成不同時(shí)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(shí)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(hào)(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(hào)。
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(cuò)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(hào)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(hào)(聲音)由耳機(jī)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(hào),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(jī)是我們天天都在用的東西,一般人對(duì)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(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)的介紹只是示意,與實(shí)際的情況會(huì)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(hào)的壓縮/解壓縮、頻道編碼/譯碼、交錯(cuò)置/解交錯(cuò)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(yùn)算工作,目前都已經(jīng)整合成一個(gè)「系統(tǒng)單芯片(System on a Chip,SoC)」了,著名的移動(dòng)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(hào)開始直接將信號(hào)的頻率提高到電磁波的頻率(GHz)會(huì)遇到許多困難,因此可以先以信號(hào)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(hào)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(gè)集成電路(IC),某些可能整合成一個(gè)「系統(tǒng)單芯片(SoC)」。
評(píng)論
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