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”(Modula TI on)与“多工技术”(Mul TI plex)，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(Modula TI on)”与“多工技术(Mul TI plex)”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。 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： 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)。