深度解析手機(jī)中的通信組件

　　無線通信的頻譜有限，分配非常嚴(yán)格，相同帶寬的電磁波只能使用一次，為了解決僧多粥少的難題，工程師研發(fā)出許多「調(diào)變技術(shù)」（Modulation）與「多任務(wù)技術(shù)」（Multiplex），來增加頻譜效率，因此才有了 3G、4G、5G 不同通信技術(shù)的發(fā)明，那么在我們的手機(jī)里，是什么組件負(fù)責(zé)替我們處理這些技術(shù)的呢？

　　調(diào)變技術(shù)與多任務(wù)技術(shù)

　　首先我們要了解「調(diào)變技術(shù)（Modulation）」與「多任務(wù)技術(shù)（Multiplex）」是完全不一樣的東西，讓我們先來看看它們到底有什么不同？

　　數(shù)字信號調(diào)變技術(shù)（ASK、FSK、PSK、QAM）： 將模擬的電磁波調(diào)變成不同的波形來代表 0 與 1 兩種不同的數(shù)字信號。ASK 用振幅大小來代表 0 與 1、FSK 用頻率大小來代表 0 與 1、PSK 用相位（波形）不同來代表 0 與 1、QAM 同時使用振幅大小與相位（波形）不同來代表 0 與 1。

　　好啦，每個人的手機(jī)天線要傳送出去的數(shù)字信號 0 與 1 都變成不同波形的電磁波了，問題又來了，這么多不同波形的電磁波丟到空中，該如何區(qū)分那些是你的（和你通話的），那些是我的（和我通話的）呢？

　　多任務(wù)技術(shù)（TDMA、FDMA、CDMA、OFDM）： 將電磁波區(qū)分給不同的使用者使用。TDMA 用時間先后來區(qū)分是你的還是我的，F(xiàn)DMA 用不同頻率來區(qū)分是你的還是我的，CDMA 用不同密碼（正交展頻碼）來區(qū)分是你的還是我的，OFDM 用不同正交子載波頻率來區(qū)分是你的還是我的。

　　值得注意的是，不論數(shù)字信號調(diào)變技術(shù)或多任務(wù)技術(shù)，都是在數(shù)字信號（0 與 1）進(jìn)行運算與處理的時候就一起進(jìn)行，所以多任務(wù)技術(shù)與調(diào)變技術(shù)必定是同時使用。

　　數(shù)字調(diào)變技術(shù)（Digital modulation）

　　現(xiàn)在的手機(jī)是屬于「數(shù)字通信」，也就是我們講話的聲音（連續(xù)的模擬信號），先由手機(jī)轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的 0 與 1 兩種數(shù)字信號，再經(jīng)由數(shù)字調(diào)變轉(zhuǎn)換成電磁波（模擬信號載著數(shù)字信號），最后從天線傳送出去，原理如圖一所示。

　　圖一：數(shù)字通信示意圖。（Source：the Noun Project）

　　數(shù)字通信系統(tǒng)架構(gòu)

　　數(shù)字通信系統(tǒng)的架構(gòu)如圖二（a）所示，使用者可能使用智能型手機(jī)打電話進(jìn)行語音通信或上網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，我們分別說明如下：

　　圖二：通信系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

　　語音上傳（講電話）：聲音由麥克風(fēng)接收以后為低頻模擬信號，經(jīng)由低頻模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)由「基頻芯片（BB）」進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮（Encoding）、加循環(huán)式重復(fù)檢查碼（CRC）、頻道編碼（Channel coding）、交錯置（Inter-leaving）、加密（Ciphering）、格式化（Formatting），再進(jìn)行多任務(wù)（Multiplexing）、調(diào)變（Modulation）等數(shù)字信號處理，如圖二（b）所示。

　　接下來經(jīng)由高頻數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為高頻模擬信號（電磁波）；最后再經(jīng)由「射頻芯片（RF）」形成不同時間、頻率、波形的電磁波由天線傳送出去。

　　語音下載（聽電話）：天線將不同時間、頻率、波形的電磁波接收進(jìn)來，經(jīng)由「射頻芯片（RF）」處理后得到高頻模擬信號（電磁波），再經(jīng)由高頻模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

　　接下來經(jīng)由「基頻芯片（BB）」進(jìn)行解調(diào)（De-modulation）、解多任務(wù)（De-multiplexing）、解格式化（De- formatting）、解密（De-ciphering）、解交錯置（De-inter-leaving）、頻道譯碼（Channel decoding）、解循環(huán)式重復(fù)檢查碼（CRC）、數(shù)據(jù)解壓縮（Decoding）等數(shù)字信號處理，最后再經(jīng)由低頻數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為低頻模擬信號（聲音）由耳機(jī)播放出來。

　　數(shù)據(jù)通信（上網(wǎng)）：基本上數(shù)據(jù)通信不論上傳或下載都是數(shù)字信號，所以直接進(jìn)入基頻芯片（BB）處理即可，其他流程與語音通信類似，在此不再重復(fù)描述。

　　注：通信的原理就是一大堆的數(shù)學(xué)，由于手機(jī)是我們天天都在用的東西，一般人對通信感多感少都有些好奇想要進(jìn)一步了解，但是往往走進(jìn)教室第一堂課看到的就是一大堆復(fù)雜的數(shù)字：傅立葉變換（Fourier Transform）、拉普拉斯轉(zhuǎn)換（Laplace Transform）、離散（Discrete），立刻就打退堂鼓，為了簡化復(fù)雜度讓大家容易看懂，上面對于數(shù)字通信系統(tǒng)的介紹只是示意，與實際的情況會有落差，建議有興趣進(jìn)一步了解的人可以立足于上面的概念，來進(jìn)一步了解技術(shù)細(xì)節(jié)。

　　通信相關(guān)集成電路：基頻芯片、中頻芯片、射頻芯片

　　基頻芯片（Baseband，BB）：屬于數(shù)字集成電路，用來進(jìn)行數(shù)字信號的壓縮／解壓縮、頻道編碼／譯碼、交錯置／解交錯置、加密／解密、格式化／解格式化、多任務(wù)／解多任務(wù)、調(diào)變／解調(diào)，以及管理通信協(xié)議、控制輸入輸出接口等運算工作，目前都已經(jīng)整合成一個「系統(tǒng)單芯片（System on a Chip，SoC）」了，著名的移動電話基頻芯片供貨商包括：高通（Qualcomm）、博通（Broadcom）、邁威爾（Marvell）、聯(lián)發(fā)科（MediaTek）等。

　　中頻芯片（Intermediate Frequency，IF）：由于通信電磁波的頻率很高，要由數(shù)字信號開始直接將信號的頻率提高到電磁波的頻率（GHz）會遇到許多困難，因此可以先以信號頻率比高頻電磁波還低的「中頻」來處理，早期的通信系統(tǒng)有中頻芯片，后來由于「直接轉(zhuǎn)換（Direct conversion）」技術(shù)的進(jìn)步，可以克服信號靈敏度與噪聲問題，射頻可以直接降為基頻處理，少了中頻芯片可以結(jié)省空間與降低成本，達(dá)到「零中頻（Zero IF，ZIF）」的目標(biāo)。

　　射頻芯片（Radio Frequency，RF）：又稱為「射頻集成電路（RFIC）」，是處理高頻電磁波所有芯片的總稱，通常包括：傳送接收器（Transceiver）、低噪聲放大器（LNA）、功率放大器（PA）、帶通濾波器（BPF）、合成器（Synthesizer）、混頻器（Mixer）等，通常由砷化鎵晶圓制作的 MESFET、HEMT 組件，或硅鍺晶圓制作的 BiCMOS 組件，或硅晶圓制作的 CMOS 組件組成，目前也有用氮化鎵（GaN）制作的功率放大器，可能是數(shù)個集成電路（IC），某些可能整合成一個「系統(tǒng)單芯片（SoC）」。