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解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(下)

时间:11-03 来源:TechNews 点击:

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。

解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(下)

▲ 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。

解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(下)

▲ 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

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