3G、4G、5G怎么造？一文看懂手機里的通訊技術(shù)

?無線通信的頻譜有限，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(diào)制技術(shù)”與 “多工技術(shù)”來增加頻譜效率，因此才有了3G、4G、5G不同通信時代技術(shù)的發(fā)明，那么在我們的手機里，是什么元件負責替我們處理這些技術(shù)的呢？

OFweek電子工程網(wǎng)訊 無線通信的頻譜有限，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(diào)制技術(shù)”與 “多工技術(shù)”來增加頻譜效率，因此才有了3G、4G、5G不同通信時代技術(shù)的發(fā)明，那么在我們的手機里，是什么元件負責替我們處理這些技術(shù)的呢？

一、調(diào)變技術(shù)與多工技術(shù)

首先我們要了解：“調(diào)變技術(shù)”與“多工技術(shù)”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(shù)（ASK、FSK、PSK、QAM）：

將類比的電磁波調(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？

多工技術(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)碼訊號調(diào)變技術(shù)或多工技術(shù)，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，一般是先進行多工技術(shù)再進行數(shù)碼訊號調(diào)變技術(shù)（OFDM 除外），所以多工技術(shù)與調(diào)變技術(shù)必定是同時使用。

數(shù)碼調(diào)變技術(shù)

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)的類比訊號），先由手機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電磁波（類比訊號載著數(shù)碼訊號），最后從天線傳送出去，原理如圖所示。

導讀： 無線通信的頻譜有限，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(diào)制技術(shù)”與 “多工技術(shù)”來增加頻譜效率，因此才有了3G、4G、5G不同通信時代技術(shù)的發(fā)明，那么在我們的手機里，是什么元件負責替我們處理這些技術(shù)的呢？

二、數(shù)碼通訊系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)碼通訊系統(tǒng)的架構(gòu)如圖所示，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：

語音上傳（講電話）：聲音由麥克風接收以后為低頻類比訊號，經(jīng)由低頻類比數(shù)碼轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)碼訊號，經(jīng)由“基頻芯片”進行資料壓縮、加循環(huán)式重復檢查碼、頻道編碼、交錯置、加密、格式化，再進行多工、調(diào)變等數(shù)碼訊號處理。

接下來經(jīng)由“中頻芯片（IF）”也就是高頻數(shù)碼類比轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為高頻類比訊號（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）”處理后得到高頻類比訊號（電磁波），再經(jīng)由“中頻芯片（IF）”也就是高頻類比數(shù)碼轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)碼訊號。

接下來經(jīng)由“基頻芯片（BB）”進行解調(diào)（De-modulation）、解多工（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)碼類比轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為低頻類比訊號（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(zhuǎn)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(shù)細節(jié)。

三、無線通訊系統(tǒng)架構(gòu)

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：基頻（BB）、中頻（IF）、射頻（RF）三個部份，如圖所示，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）”。

基頻芯片：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、多工／解多工、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，著名的移動電話基頻芯片供應(yīng)商包括：高通、博通、Marvell、聯(lián)發(fā)科等。

導讀： 無線通信的頻譜有限，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(diào)制技術(shù)”與 “多工技術(shù)”來增加頻譜效率，因此才有了3G、4G、5G不同通信時代技術(shù)的發(fā)明，那么在我們的手機里，是什么元件負責替我們處理這些技術(shù)的呢？

調(diào)變器：將基頻芯片處理的數(shù)碼訊號轉(zhuǎn)換成高頻類比訊號（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：主要負責頻率轉(zhuǎn)換的工作，將調(diào)變后的高頻類比訊號（電磁波）轉(zhuǎn)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：提供無線通訊電磁波與射頻集成電路所需要的工作頻率，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：只讓特定頻率范圍（頻帶）的高頻類比訊號（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：高頻類比訊號（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）高頻類比訊號（電磁波）到天線，或是由天線接收（Rx：Receiver）高頻類比訊號（電磁波）進來。

低雜訊放大器：接收訊號時使用，天線接收進來的高頻類比訊號（電磁波）很微弱，必須先經(jīng)由低雜訊放大器（LNA）放大訊號，才能進行處理。

解調(diào)器：接收訊號時使用，將高頻類比訊號（電磁波）轉(zhuǎn)換成數(shù)碼訊號，再傳送到基頻芯片（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：先由基頻芯片（BB）處理數(shù)碼語音訊號，再經(jīng)由調(diào)變器（Modulator）轉(zhuǎn)換成高頻類比訊號，由混頻器（Mixer）轉(zhuǎn)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）的高頻類比訊號（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類比訊號（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）的高頻類比訊號，由低雜訊放大器（LNA）將微弱的訊號放大，由混頻器（Mixer）轉(zhuǎn)換成所需要的頻率，由解調(diào)器（Demodulator）轉(zhuǎn)換成數(shù)碼語音訊號，最后由基頻芯片（BB）處理數(shù)碼語音訊號。

四、通訊相關(guān)集成電路：基頻、中頻、射頻

前面介紹的無線通訊系統(tǒng)后端（Back end）使用基頻芯片來處理數(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：

又稱為“類比基頻（Analog baseband）”，概念上就是“高頻數(shù)碼類比轉(zhuǎn)換器（DAC）”與“高頻類比數(shù)碼轉(zhuǎn)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，通常由矽晶圓制作的 CMOS 元件組成，可能是數(shù)個集成電路，其些可能整合成一個集成電路（IC）。

又稱為“射頻集成電路”，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、低雜訊放大器（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元件，或矽鍺晶圓制作的 BiCMOS 元件，或矽晶圓制作的 CMOS 元件組成，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）。