手机无线通讯究竟是如何实现的？

无线通讯的频谱有限，分配非常严格，相同频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“调变技术”（Modulation）与“多工技术”（Multiplex），来增加频谱效率，因此才有了 3G、4G、5G 不同通讯世代技术的发明，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（Modulation）”与“多工技术（Multiplex）”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（Digital modulation）

现在的手机是属于“数码通讯”，也就是我们讲话的声音（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，原理如图一所示。

数码通讯系统架构

数码通讯系统的架构如图二（a）所示，使用者可能使用智能手机打电话进行语音通信或上网进行资料通信，我们分别说明如下：

图二：通讯系统架构示意图

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（ADC）转换为数码讯号，经由“基频芯片（BB）”进行资料压缩（Encoding）、加循环式重复检查码（CRC）、频道编码（Channel coding）、交错置（Inter-leaving）、加密（Ciphering）、格式化（Formatting），再进行多工（Multiplexing）、调变（Modulation）等数码讯号处理，如图二（b）所示。

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）、解格式化（De-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堂课看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，如图三所示，每个部分都可能有一个到数个集成电路（IC），也有可能是把数个集成电路（IC）封装成一个，称为“系统单封装（System in a Package，SiP）”，或把数个芯片整合成一个，称为“系统单芯片（System on a Chip，SoC）”。

图三：无线通讯系统架构示意图

基频芯片（Baseband，BB）：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、加密／解密、格式化／解格式化、多工／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（Qualcomm）、博通（Broadcom）、迈威尔（Marvell）、联发科（MediaTek）等。

调变器（Modulator）：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（Mixer）：主要负责频率转换的工作，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（Synthesizer）：提供无线通讯电磁波与射频集成电路（RF IC）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（Band Pass Filter，BPF）：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（Power Amplifier，PA）：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（Low Noise Amplifier，LNA）：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（Demodulator）：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制作：

中频芯片（Intermediate Frequency，IF）：又称为“类比基频（Analog baseband）”，概念上就是“高频数码类比转换器（DAC）”与“高频类比数码转换器（ADC）”，包括：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，通常由矽晶圆制作的 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（Radio Frequency，RF）：又称为“射频集成电路（RFIC）”，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（Transceiver）、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，通常由砷化镓晶圆制作的 MESFET、HEMT 元件，或矽锗晶圆制作的 BiCMOS 元件，或矽晶圆制作的 CMOS 元件组成，目前也有用氮化镓（GaN）制作的功率放大器，可能是数个集成电路，某些可能整合成一个集成电路（IC）。

赞，好文！

厉害！

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