解析通訊技術：3G、4G、5G 背后的科學意義（下）

　　在〈解析通訊技術(上)〉中，我們了解到無線通訊的頻譜有限，分配非常嚴格，相同頻寬的電磁波只能使用一次，例如2G 的GSM900 系統(tǒng)使用頻率范圍890~960MHz，則其他的無線通訊就不能再使用這個頻率范圍，否則會互相干擾。為了解決僧多粥少的難題，工程師研發(fā)出許多技術，來擴增頻譜的使用率，例如TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在這些復雜技術的背后，只要能掌握兩個基本概念，就能了解整個通訊技術的發(fā)展關鍵。

　　這兩個基本概念為“調(diào)變技術”(Modulation)與“多工技術”(Multiplex)。其中調(diào)變技術是將模擬電磁波調(diào)變成不同的波形，來代表0 與1 兩種不同的數(shù)碼信號，這樣才能利用天線傳送到很遠的地方(這里只談數(shù)碼調(diào)變技術，不討論早期的AM、FM 這種模擬調(diào)變技術)。多工技術則是將電磁波區(qū)分給不同的使用者使用，由于手機必須設計給所有的人使用，當每支手機都把電磁波丟到空中，該如何區(qū)分那個電磁波是誰的呢?

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

　　現(xiàn)在的手機是屬于“數(shù)碼通訊”，也就是我們講話的聲音(連續(xù)的模擬信號)，先由手機轉換成不連續(xù)的0 與1 兩種數(shù)碼信號，再經(jīng)由數(shù)碼調(diào)變轉換成電磁波(模擬信號載著數(shù)碼信號)，最后從天線傳送出去，原理如圖一所示。

　　▲ 圖一：數(shù)碼通訊示意圖。(Source：the noun project)

　　電磁波是連續(xù)的能量，如何利用電磁波替我們傳送這些0與1的數(shù)碼信號呢?因此科學家發(fā)明了下列4 種數(shù)碼調(diào)變技術：

　　振幅位移鍵送(ASK)：利用電磁波的“振幅大小”載著數(shù)碼信號(0 與1)傳送出去，振幅小代表0，振幅大代表1，圖二(a)所示。

　　頻率位移鍵送(FSK)：利用電磁波的“頻率高低”載著數(shù)碼信號(0 與1)傳送出去，頻率低代表0，頻率高代表1，圖二(b)所示。

　　相位位移鍵送(PSK)：利用電磁波的“相位不同(波形不同)”載著數(shù)碼信號(0 與1)傳送出去，相位0° 代表0，相位180° 代表1，圖二(c)所示。

　　正交振幅調(diào)變(QAM)：同時利用電磁波的“振幅大小”與“相位不同(波形不同)”載著數(shù)碼信號(0 與1)傳送出去，這個圖形比較復雜有興趣的人可以參考這里。

　　▲ 圖二：數(shù)碼信號調(diào)變技術。(a)ASK：振幅小代表0，振幅大代表1;(b)FSK：頻率低代表0，頻率高代表1;(c)PSK：相位0° 代表0，相位180° 代表1。

　　數(shù)碼調(diào)變技術的優(yōu)點包括可以偵錯與除錯、可以壓縮與解壓縮、可以加密與解密、更好的抗雜訊能力等，我們所使用手機2G 的GSM / GPRS、3G 的UMTS、4G 的LTE / LTE-A、無線區(qū)域網(wǎng)絡(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)等都是使用數(shù)碼調(diào)變，顯然數(shù)碼通訊是發(fā)展的趨勢。

　　傳送端將數(shù)碼信號(0 與1)轉變成不同的電磁波波形稱為“調(diào)變(Modulation)”;同理，接收端將不同的電磁波波形還原成數(shù)碼信號(0 與1)稱為“解調(diào)(Demodulation)”，所有的通訊設備一般都必須同時支持傳送(調(diào)變)與接收(解調(diào))，因此科學家把負責調(diào)變與解調(diào)的元件稱為“調(diào)變解調(diào)器”，英文就把“Modulation”與“Demodulation”的字頭組合成一個新單字“Modem”，下回只要聽到Modem 就知道它是在做通訊用的元件啰!

　　多工技術(Multiplex)

　　多人共同使用一條資訊通道的方法稱為“多工技術”(Multiplex)，簡單的說，天空只有一個，你的手機要丟電磁波出去，我的手機也要丟電磁波出去，兩種電磁波在天空中混在一起，接收端該如何區(qū)分那些是你的(和你通話的)，那些是我的(和我通話的)呢?

　　多工技術的目的就是讓所有人使用，而且彼此不能互相干擾，為了增加資料傳輸率，可能必須同時使用兩種以上的多工技術，才能滿足每個人都要使用的需求。無線通訊常見的多工技術包括下列4 種：

　　分時多工接取(TDMA)：使用者依照“時間先后”輪流使用一條資訊通道，如圖三(a)所示，目前2G 的GSM / GPRS 系統(tǒng)有使用TDMA。

　　分頻多工接取(FDMA)：使用者依照“頻率不同”同時使用一條資訊通道，如圖三(b)所示，前面介紹每一對使用者必須使用“不同的頻率范圍”來通話，其實就是FDMA，目前2G 的GSM / GPRS、3G 的UMTS 有使用FDMA。

　　分碼多工接取(CDMA)：將不同使用者的資料分別與特定的“密碼(Code)”運算以后，再傳送到資料通道，接收端以不同的密碼來分辨要接收的信號，如圖三(c)所示。目前3G 的UMTS 有使用CDMA。

　　正交分頻多工(OFDM)：前面介紹過分頻多工(FDMA)是使用者依照“頻率不同”同時傳送資料，而OFDM 原理類似，唯一不同的是必須使用彼此“正交”的頻率，這個原理比較復雜有興趣的人可以參考這里，目前4G 的LTE / LTE-A、無線區(qū)域網(wǎng)絡(IEEE802.11a/g/n)、數(shù)碼電視(DTV)、數(shù)碼音訊廣播(DAB)有使用OFDM。

　　▲ 圖三：多工技術(Multiplex)。(a)TDMA：依照時間先后輪流使用;(b)FDMA：依照頻率不同同時使用;(c)CDMA：將不同使用者的資料分別與特定的密碼運算。

　　多工技術的比喻

　　多工技術比較復雜，我們可以想像在房子里，甲與乙要講話，丙與丁要講話，戊與己要講話：

　　分時多工接取(TDMA)：甲與乙先講一句，再換丙與丁講一句，再換戊與己講一句，依此類推，大家輪流(分時)講話彼此就不會互相干擾。

　　分頻多工接取(FDMA)：甲與乙在客廳講話，丙與丁在書房講話，戊與己在臥室講話，大家在不同的房間(分頻)講話彼此就不會互相干擾。

　　分碼多工接取(CDMA)：甲與乙用中文講話，丙與丁用英文講話，戊與己用日文講話，這樣雖然大家在同一個房子里講話，各自仍然可以分辨出各自不同的語言，當甲與乙用中文講話時，丙與丁的英文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會造成甲與乙解讀中文的困擾;同理，當丙與丁用英文講話時，甲與乙的中文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會造成丙與丁解讀英文的困擾，在這個例子里“用不同的語言講話”就好像“用不同的密碼加密”一樣。

　　4G 與5G 的技術發(fā)展目的：增加頻譜效率與頻寬

　　“頻譜效率”(Spectrum efficiency)是單位頻寬(Hz)具有多少資料傳輸率(bps)，可參考表1 的說明，當單位頻寬的資料傳輸率高，代表頻譜效率高，例如：LTE 可以提供上傳2.5bps/Hz，下載5bps/Hz;LTE-A 可以提供上傳5bps/Hz，下載10bps/Hz，顯然LTE-A 的頻譜效率比LTE 高。因此4G 與5G 技術的發(fā)展只為了兩個目的：

　　增加頻譜效率

　　由于相同的頻率只能使用一次，因此必須利用更新的調(diào)變與多工技術來增加頻譜效率，讓相同頻寬的電磁波具有更高的資料傳輸率，也就是把更多的0 和1 塞進相同頻寬的電磁波里來傳送。

　　增加頻寬

　　由于目前的電磁波頻譜里10GHz 以下的電磁波大部分都已經(jīng)被用掉了，頻譜效率再怎么提高總有技術上的極限，因此科學家只能去挖更高頻還沒有被使用的電磁波來給5G 手機用，大家現(xiàn)在明白為什么Samsung 的5G 技術會想要使用頻率30GHz(相當于波長10 毫米)的“毫米波(Millimeter Wave)”了吧!相關的新聞請參考這里。

　　表1：數(shù)碼通訊系統(tǒng)的頻譜效率比較表

　　注：表1 中的頻譜效率是直接以資料傳輸率除以通道頻寬，但是不同世代的通訊系統(tǒng)使用不同的技術，這個并沒有考慮進去，因此表中不同世代應該分開來比較才有意義。

　　僧多粥少，無線通訊的使用執(zhí)照與頻譜分配

　　經(jīng)由前面的介紹可以發(fā)現(xiàn)，無線通訊的頻譜非常珍貴，僧多粥少，因此使用執(zhí)照費也比較高。那么是由誰來決定那一種系統(tǒng)使用那一個頻率范圍才不會重覆呢?國內(nèi)的無線通訊頻譜目前是由國家通訊傳播委員會(NCC)管理，每一家系統(tǒng)業(yè)者(例如：中華電信、臺灣大哥大、遠傳電信等)都必須先向NCC 取得使用執(zhí)照才能經(jīng)營無線通訊業(yè)務，由于無線通訊的頻譜非常珍貴，可以使用的頻率范圍有限，所以使用執(zhí)照有限，通常會以公開招標的方式讓出價最高的電信業(yè)者取得使用執(zhí)照，這就是去年的“第四代(4G)移動寬頻業(yè)務釋照”。

　　不只如此，由于我們大家是共用同一個空間，如果無線通訊設備任意發(fā)出頻率不正確的信號會干擾到其他通訊設備，因此所有的無線通訊設備，包括我們使用的手機與無線區(qū)域網(wǎng)絡(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)等產(chǎn)品都必須先進行測試合格才可以上市銷售。