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(hào)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(hào),。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(shí)使用振幅大小與相位(波形)不同來代表 0 與 1,。
好啦，每個(gè)人的手機(jī)天線要傳送出去的數(shù)字信號(hào) 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(shí)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(hào)調(diào)變技術(shù)或多任務(wù)技術(shù),，都是在數(shù)字信號(hào)(0 與 1)進(jìn)行運(yùn)算與處理的時(shí)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(shí)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(hào))，先由手機(jī)轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的 0 與 1 兩種數(shù)字信號(hào),，再經(jīng)由數(shù)字調(diào)變轉(zhuǎn)換成電磁波(模擬信號(hào)載著數(shù)字信號(hào)),，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(hào)，經(jīng)由低頻模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),，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(cuò)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(hào)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(hào)(電磁波);最后再經(jīng)由「射頻芯片(RF)」形成不同時(shí)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(shí)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(hào)(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(hào)。
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(cuò)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(hào)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(hào)(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(hào),，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(shí)際的情況會(huì)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(hào)的壓縮/解壓縮,、頻道編碼/譯碼、交錯(cuò)置/解交錯(cuò)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(yùn)算工作,，目前都已經(jīng)整合成一個(gè)「系統(tǒng)單芯片(System on a Chip,，SoC)」了，著名的移動(dòng)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(hào)開始直接將信號(hào)的頻率提高到電磁波的頻率(GHz)會(huì)遇到許多困難,，因此可以先以信號(hào)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(hào)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(gè)集成電路(IC),，某些可能整合成一個(gè)「系統(tǒng)單芯片(SoC)」。