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[導(dǎo)讀]無線通訊的頻譜有限,分配非常嚴(yán)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(shù)”(Modulation)與“多任務(wù)技術(shù)&rd

無線通訊的頻譜有限,分配非常嚴(yán)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(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 不同通訊世代技術(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)碼訊號(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)碼訊號(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)碼訊號(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)碼訊號(hào)調(diào)變技術(shù)或多任務(wù)技術(shù),都是在數(shù)碼訊號(hào)(0與1)進(jìn)行運(yùn)算與處理的時(shí)候就一起進(jìn)行,一般是先進(jìn)行多任務(wù)技術(shù)再進(jìn)行數(shù)碼訊號(hào)調(diào)變技術(shù)(OFDM除外),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)碼調(diào)變技術(shù)(Digital modulation)

現(xiàn)在的手機(jī)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(hào)),先由手機(jī)轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的0與1兩種數(shù)碼訊號(hào),再經(jīng)由數(shù)碼調(diào)變轉(zhuǎn)換成電磁波(模擬訊號(hào)載著數(shù)碼訊號(hào)),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(gòu)

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

 

 

▲ 圖二:通訊系統(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訊號(hào),經(jīng)由低頻模擬數(shù)碼轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼訊號(hào),經(jīng)由“基帶芯片(BB)”進(jìn)行資料壓縮(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)碼訊號(hào)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(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換為高頻模擬訊號(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訊號(hào)(電磁波),再經(jīng)由“中頻芯片(IF)”也就是高頻模擬數(shù)碼轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼訊號(hào)。

接下來經(jīng)由“基帶芯片(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)、頻道解碼(Channel decoding)、解循環(huán)式重復(fù)檢查碼(CRC)、資料解壓縮(Decoding)等數(shù)碼訊號(hào)處理,最后再經(jīng)由低頻數(shù)碼模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換為低頻模擬訊號(hào)(聲音)由麥克風(fēng)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(hào),所以直接進(jìn)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(fù)描述。

注:通訊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)通訊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是一大堆復(fù)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(fù)雜度讓大家容易看懂,上面對(duì)于數(shù)碼通訊系統(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)。

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(jī)里幾個(gè)重要的集成電路(IC),主要包括:基帶(BB)、中頻(IF)、射頻(RF)三個(gè)部份,如圖三所示,每個(gè)部分都可能有一個(gè)到數(shù)個(gè)集成電路(IC),也有可能是把數(shù)個(gè)集成電路(IC)封裝成一個(gè),稱為“系統(tǒng)單封裝(System in a Package,SiP)”,或把數(shù)個(gè)芯片整合成一個(gè),稱為“系統(tǒng)單芯片(System on a Chip,SoC)”。

 

 

▲ 圖三:無線通訊系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

基帶芯片(Baseband,BB):屬于數(shù)碼集成電路,用來進(jìn)行數(shù)碼訊號(hào)的壓縮/解壓縮、頻道編碼/解碼、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),以及管理通訊協(xié)定、控制輸入輸出界面等運(yùn)算工作,著名的移動(dòng)電話基帶芯片供應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)換成高頻模擬訊號(hào)(電磁波),才能傳送很遠(yuǎn),想要進(jìn)一步了解通訊原理的人可以參考這里。

混頻器(Mixer):主要負(fù)責(zé)頻率轉(zhuǎn)換的工作,將調(diào)變后的高頻模擬訊號(hào)(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(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(zhǔn)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(hào)(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(hào)(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(qiáng)訊號(hào)才能傳送到夠遠(yuǎn)的地方。

傳送接收器(Transceiver):負(fù)責(zé)傳送(Tx:Transmitter)高頻模擬訊號(hào)(電磁波)到天線,或是由天線接收(Rx:Receiver)高頻模擬訊號(hào)(電磁波)進(jìn)來。

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

解調(diào)器(Demodulator):接收訊號(hào)時(shí)使用,將高頻模擬訊號(hào)(電磁波)轉(zhuǎn)換成數(shù)碼訊號(hào),再傳送到基帶芯片(BB)進(jìn)行數(shù)碼訊號(hào)處理工作。

所以手機(jī)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(hào),再經(jīng)由調(diào)變器(Modulator)轉(zhuǎn)換成高頻模擬訊號(hào),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)的高頻模擬訊號(hào)(電磁波),由功率放大器(PA)增強(qiáng)訊號(hào),最后由傳送接收器(Tx)傳送到天線輸出。

相反的,手機(jī)下載(聽電話)的原理是:先由天線傳送過來高頻模擬訊號(hào)(電磁波),由傳送接收器(Rx)接收進(jìn)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(hào),由低噪聲放大器(LNA)將微弱的訊號(hào)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(hào),最后由基帶芯片(BB)處理數(shù)碼語音訊號(hào)。

通訊相關(guān)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(hào),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(zhuǎn)換器(DAC)”與“高頻模擬數(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,通常由硅晶圓制作的CMOS 組件組成,可能是數(shù)個(gè)集成電路,其些可能整合成一個(gè)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(hào)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,某些可能整合成一個(gè)集成電路(IC)。

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