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    杏耀智能手机里的通讯技术,让你一次就看懂!
    发布时间:2019年1月22日 点击次数:173
    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?

    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?#20445;?#20063;就是我们?#19981;?#30340;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。


    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?#26447;?#38899;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、?#29992;堋?#26684;?#20132;?#20877;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?#20132;―e-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?#27599;?#30475; 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。

    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?#21069;?#25968;个集成电路(IC)封装成一个,称为“系统单封装(System in a Package,SiP)?#20445;?#25110;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、?#29992;埽?#35299;密、格?#20132;?#35299;格?#20132;?#22810;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?#39057;取?

    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?#39318;?#25442;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。

    通讯相关集成电路:基频、中频、射频

    前面介绍的杏耀无线通讯系统后端(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?#35889;鰨?

    中频芯片:

    又称为“类比基频(Analog baseband)?#20445;?#27010;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)?#20445;?#21253;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?#35889;?#30340; 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?#20445;?#26447;耀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?#35889;?#30340; MESFET、HEMT元件,或矽锗晶圆?#35889;?#30340; BiCMOS 元件,或矽晶圆?#35889;?#30340; CMOS 元件组成,目前也?#26447;?#27694;化镓(GaN)?#35889;?#30340;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)。
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