解析通讯技术：3G、4G、5G 背后的科学意义（下）

在〈解析通讯技术（上）〉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，例如2G 的GSM900 系统使用频率范围890~960MHz，则其他的无线通讯就不能再使用这个频率范围，否则会互相干扰。为了解决僧多粥少的难题，工程师研发出许多技术，来扩增频谱的使用率，例如TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在这些复杂技术的背后，只要能掌握两个基本概念，就能了解整个通讯技术的发展关键。

这两个基本概念为"调变技术"（Modulation）与"多工技术"（Multiplex）。其中调变技术是将模拟电磁波调变成不同的波形，来代表0 与1 两种不同的数码信号，这样才能利用天线传送到很远的地方（这里只谈数码调变技术，不讨论早期的AM、FM 这种模拟调变技术）。多工技术则是将电磁波区分给不同的使用者使用，由于手机必须设计给所有的人使用，当每支手机都把电磁波丢到空中，该如何区分那个电磁波是谁的呢？

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（连续的模拟信号），先由手机转换成不连续的0 与1 两种数码信号，再经由数码调变转换成电磁波（模拟信号载着数码信号），最后从天线传送出去，原理如图一所示。

▲ 图一：数码通讯示意图。（Source：the noun project）

电磁波是连续的能量，如何利用电磁波替我们传送这些0与1的数码信号呢？因此科学家发明了下列4 种数码调变技术：

振幅位移键送（ASK）：利用电磁波的"振幅大小"载着数码信号（0 与1）传送出去，振幅小代表0，振幅大代表1，图二（a）所示。

频率位移键送（FSK）：利用电磁波的"频率高低"载着数码信号（0 与1）传送出去，频率低代表0，频率高代表1，图二（b）所示。

相位位移键送（PSK）：利用电磁波的"相位不同（波形不同）"载着数码信号（0 与1）传送出去，相位0° 代表0，相位180° 代表1，图二（c）所示。

正交振幅调变（QAM）：同时利用电磁波的"振幅大小"与"相位不同（波形不同）"载着数码信号（0 与1）传送出去，这个图形比较复杂有兴趣的人可以参考这里。

▲ 图二：数码信号调变技术。（a）ASK：振幅小代表0，振幅大代表1；（b）FSK：频率低代表0，频率高代表1；（c）PSK：相位0° 代表0，相位180° 代表1。

数码调变技术的优点包括可以侦错与除错、可以压缩与解压缩、可以加密与解密、更好的抗杂讯能力等，我们所使用手机2G 的GSM / GPRS、3G 的UMTS、4G 的LTE / LTE-A、无线区域网络（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）等都是使用数码调变，显然数码通讯是发展的趋势。

传送端将数码信号（0 与1）转变成不同的电磁波波形称为"调变（Modulation）"；同理，接收端将不同的电磁波波形还原成数码信号（0 与1）称为"解调（Demodulation）"，所有的通讯设备一般都必须同时支持传送（调变）与接收（解调），因此科学家把负责调变与解调的元件称为"调变解调器"，英文就把"Modulation"与"Demodulation"的字头组合成一个新单字"Modem"，下回只要听到Modem 就知道它是在做通讯用的元件啰！

多工技术（Multiplex）

多人共同使用一条资讯通道的方法称为"多工技术"（Multiplex），简单的说，天空只有一个，你的手机要丢电磁波出去，我的手机也要丢电磁波出去，两种电磁波在天空中混在一起，接收端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？

多工技术的目的就是让所有人使用，而且彼此不能互相干扰，为了增加资料传输率，可能必须同时使用两种以上的多工技术，才能满足每个人都要使用的需求。无线通讯常见的多工技术包括下列4 种：

分时多工接取（TDMA）：使用者依照"时间先后"轮流使用一条资讯通道，如图三（a）所示，目前2G 的GSM / GPRS 系统有使用TDMA。

分频多工接取（FDMA）：使用者依照"频率不同"同时使用一条资讯通道，如图三（b）所示，前面介绍每一对使用者必须使用"不同的频率范围"来通话，其实就是FDMA，目前2G 的GSM / GPRS、3G 的UMTS 有使用FDMA。

分码多工接取（CDMA）：将不同使用者的资料分别与特定的"密码（Code）"运算以后，再传送到资料通道，接收端以不同的密码来分辨要接收的信号，如图三（c）所示。目前3G 的UMTS 有使用CDMA。

正交分频多工（OFDM）：前面介绍过分频多工（FDMA）是使用者依照"频率不同"同时传送资料，而OFDM 原理类似，唯一不同的是必须使用彼此"正交"的频率，这个原理比较复杂有兴趣的人可以参考这里，目前4G 的LTE / LTE-A、无线区域网络（IEEE802.11a/g/n）、数码电视（DTV）、数码音讯广