解析无线通讯组件

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无线通信频谱有限,分配非常严格。相同带宽的电磁波只能使用一次。为了解决这个问题,工程师们开发了许多“调变技术”(Modulation)和“多任务技术”(Multiplex),来提高频谱效率,所以我们才发明了不同通信代的3G、4G和5g技术。那么在我们的手机里,是什么组件负责替我们处理这些技术的呢?

调变技术与多任务技术
首先我们要了解“调变技术(Modulation)”与“多任务技术(Multiplex)”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):将模拟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?
多任务技术(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任务技术,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,一般是先进行多任务技术再进行数码讯号调变技术(OFDM除外),所以多任务技术与调变技术必定是同时使用。
数码调变技术(Digitalmodulation)
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(模拟讯号载着数码讯号),最后从天线传送出去,原理如图一所示。

无线通讯

▲图一:数码通讯示意图。(Source:theNounProject)


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:

无线通讯


▲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模拟讯号,经由低频模拟数码转换器(ADC)转换为数码讯号,经由“基带芯片(BB)”进行资料压缩(Encoding)、加循环式重复检查码(CRC)、频道编码(Channelcoding)、交错置(Inter-leaving)、加密(Ciphering)、格式化(Formatting),再进行多任务(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)”也就是高频数码模拟转换器(DAC)转换为高频模拟讯号(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)”处理后得到高频模拟讯号(电磁波),再经由“中频芯片(IF)”也就是高频模拟数码转换器(ADC)转换为数码讯号。
接下来经由“基带芯片(BB)”进行解调(De-modulation)、解多任务(De-multiplexing)、解格式化(De-formatting)、解密(De-ciphering)、解交错置(De-inter-leaving)、频道解码(Channeldecoding)、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模拟转换器(DAC)转换为低频模拟讯号(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,所以直接进入基带芯片(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是一大堆复杂的数码:傅立叶转换(FourierTransform)、拉普拉斯转换(LaplaceTransform)、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:基带(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(SysteminaPackage,SiP)”,或把数个芯片整合成一个,称为“系统单芯片(SystemonaChip,SoC)”。

无线通讯

▲图三:无线通讯系统架构示意图。


基带芯片(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、多任务/解多任务、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。
调变器(Modulator):将基带芯片处理的数码讯号转换成高频模拟讯号(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,将调变后的高频模拟讯号(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(RFIC)所需要的工作频率,通常经由“相位锁定回路(PLL:PhaseLockedLoop)”与“电压控制振荡器(VCO:VoltageControlledOscillator)”来提供精准的工作频率。
带通滤波器(BandPassFilter,BPF):只让特定频率范围(频带)的高频模拟讯号(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(PowerAmplifier,PA):高频模拟讯号(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)高频模拟讯号(电磁波)到天线,或是由天线接收(Rx:Receiver)高频模拟讯号(电磁波)进来。
低噪声放大器(LowNoiseAmplifier,LNA):接收讯号时使用,天线接收进来的高频模拟讯号(电磁波)很微弱,必须先经由低噪声放大器(LNA)放大讯号,才能进行处理。
解调器(Demodulator):接收讯号时使用,将高频模拟讯号(电磁波)转换成数码讯号,再传送到基带芯片(BB)进行数码讯号处理工作。
所以手机上传(讲电话)的原理是:先由基带芯片(BB)处理数码语音讯号,再经由调变器(Modulator)转换成高频模拟讯号,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)的高频模拟讯号(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模拟讯号(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)的高频模拟讯号,由低噪声放大器(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,最后由基带芯片(BB)处理数码语音讯号。
通讯相关集成电路:基带、中频、射频
前面介绍的无线通讯系统后端(Backend)使用基带芯片来处理数码讯号,前端(Frontend)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(IntermediateFrequency,IF):又称为“模拟基带(Analogbaseband)”,概念上就是“高频数码模拟转换器(DAC)”与“高频模拟数码转换器(ADC)”,包括:调变器(Modulator)、解调器(Demodulator),通常还有中频放大器(IFamplifier)与中频带通滤波器(IFBPF)等,通常由硅晶圆制作的CMOS组件组成,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(RadioFrequency,RF):也称为“射频集成电路(RFIC)”,它是所有处理高频无线信号的芯片的总称,通常包括:传送接收器(Transceiver)、低噪声放大器(LNA)、功率放大器(PA)、带通滤波器(BPF)、合成器(Synthesizer)、混频器(Mixer)等,它通常由砷化镓晶圆制作的MESFET和HEMT元件、或硅锗晶圆制成的BiCMOS组件或硅晶片制成的CMOS组件组成。   

 

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