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解析通讯元件:由基频、中频、射频零部件让你一次看懂手机芯片

时间:05-12 来源:TechNews 点击:

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在《解析通讯技术(上)》与《解析通讯技术(下)》中,我们了解到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。

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▲ 图一:数码通讯示意图。(Source: the Noun Project )

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:

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▲ 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

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