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，為了解決僧多粥少的難題，工程師研發出許多“調變技術”（ModulaTIon）與“多工技術”（MulTIplex），來增加頻譜效率，因此才有了 3G、4G、5G 不同通訊世代技術的發明，那么在我們的手機里，是什么元件負責替我們處理這些技術的呢？

 

 

首先我們要了解“調變技術（ModulaTIon）”與“多工技術（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？

 

數碼訊號調變技術（ASK、FSK、PSK、QAM）：將類比的電磁波調變成不同的波形來代表 0 與 1 兩種不同的數碼訊號。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，每個人的手機天線要傳送出去的數碼訊號 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（TDMA、FDMA、CDMA、OFDM）：將電磁波區分給不同的使用者使用。TDMA 用時間先后來區分是你的還是我的，FDMA 用不同頻率來區分是你的還是我的，CDMA 用不同密碼（正交展頻碼）來區分是你的還是我的，OFDM 用不同正交子載波頻率來區分是你的還是我的。

 

值得注意的是，不論數碼訊號調變技術或多工技術，都是在數碼訊號（0 與 1）進行運算與處理的時候就一起進行，一般是先進行多工技術再進行數碼訊號調變技術（OFDM 除外），所以多工技術與調變技術必定是同時使用。

 

 

現在的手機是屬于“數碼通訊”，也就是我們講話的聲音（連續的類比訊號），先由手機轉換成不連續的0與1兩種數碼訊號，再經由數碼調變轉換成電磁波（類比訊號載著數碼訊號），最后從天線傳送出去，原理如圖一所示。

 

圖一：數碼通訊示意圖。（Source：the Noun Project）

 

 

數碼通訊系統的架構如圖二（a）所示，使用者可能使用智能手機打電話進行語音通信或上網進行資料通信，我們分別說明如下：

 

圖二：通訊系統架構示意圖

 

語音上傳（講電話）：聲音由麥克風接收以后為低頻類比訊號，經由低頻類比數碼轉換器（ADC）轉換為數碼訊號，經由“基頻芯片（BB）”進行資料壓縮（Encoding）、加循環式重復檢查碼（CRC）、頻道編碼（Channel coding）、交錯置（Inter-leaving）、加密（Ciphering）、格式化（Formatting），再進行多工（Multiplexing）、調變（Modulation）等數碼訊號處理，如圖二（b）所示。

 

接下來經由“中頻芯片（IF）”也就是高頻數碼類比轉換器（DAC）轉換為高頻類比訊號（電磁波）；最后再經由“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來，經由“射頻芯片（RF）”處理后得到高頻類比訊號（電磁波），再經由“中頻芯片（IF）”也就是高頻類比數碼轉換器（ADC）轉換為數碼訊號。

 

接下來經由“基頻芯片（BB）”進行解調（De-modulation）、解多工（De-multiplexing）、解格式化（De-formatting）、解密（De-ciphering）、解交錯置（De-inter-leaving）、頻道解碼（Channel decoding）、解循環式重復檢查碼（CRC）、資料解壓縮（Decoding）等數碼訊號處理，最后再經由低頻數碼類比轉換器（DAC）轉換為低頻類比訊號（聲音）由麥克風播放出來。

 

資料通信（上網）：基本上資料通信不論上傳或下載都是數碼訊號，所以直接進入基頻芯片（BB）處理即可，其他流程與語音通信類似，在此不再重復描述。

 

注：通訊的原理就是一大堆的數學，由于手機是我們天天都在用的東西，一般人對通訊感多感少都有些好奇想要進一步了解，但是往往走進教室第一堂課看到的就是一大堆復雜的數碼：傅立葉轉換（Fourier Transform）、拉普拉斯轉換（Laplace Transform）、離散（Discrete），立刻就打退堂鼓，為了簡化復雜度讓大家容易看懂，上面對于數碼通訊系統的介紹只是示意，與實際的情況會有落差，建議有興趣進一步了解的人可以立足于上面的概念，來進一步了解技術細節。

 

 

基于前面的介紹，我們來看看智能手機里幾個重要的集成電路（IC），主要包括：基頻（BB）、中頻（IF）、射頻（RF）三個部份，如圖三所示，每個部分都可能有一個到數個集成電路（IC），也有可能是把數個集成電路（IC）封裝成一個，稱為“系統單封裝（System in a Package，SiP）”，或把數個芯片整合成一個，稱為“系統單芯片（System on a Chip，SoC）”。

 

圖三：無線通訊系統架構示意圖

 

基頻芯片（Baseband，BB）：屬于數碼集成電路，用來進行數碼訊號的壓縮／解壓縮、頻道編碼／解碼、交錯置／解交錯置、加密／解密、格式化／解格式化、多工／解多工、調變／解調，以及管理通訊協定、控制輸入輸出界面等運算工作，著名的移動電話基頻芯片供應商包括：高通（Qualcomm）、博通（Broadcom）、邁威爾（Marvell）、聯發科（MediaTek）等。

 

調變器（Modulator）：將基頻芯片處理的數碼訊號轉換成高頻類比訊號（電磁波），才能傳送很遠，想要進一步了解通訊原理的人可以參考這里。

 

混頻器（Mixer）：主要負責頻率轉換的工作，將調變后的高頻類比訊號（電磁波）轉換成所需要的頻率，來配合不同通訊系統的頻率范圍（無線頻譜）使用。

 

合成器（Synthesizer）：提供無線通訊電磁波與射頻集成電路（RF IC）所需要的工作頻率，通常經由“相位鎖定回路（PLL：Phase Locked Loop）”與“電壓控制振蕩器（VCO：Voltage Controlled Oscillator）”來提供精準的工作頻率。

 

帶通濾波器（Band Pass Filter，BPF）：只讓特定頻率范圍（頻帶）的高頻類比訊號（電磁波）通過，將不需要的頻率范圍濾除，得到我們需要的頻率范圍（頻帶）。

 

功率放大器（Power Amplifier，PA）：高頻類比訊號（電磁波）傳送出去之前，必須先經由功率放大器（PA）放大，增強訊號才能傳送到夠遠的地方。

 

傳送接收器（Transceiver）：負責傳送（Tx：Transmitter）高頻類比訊號（電磁波）到天線，或是由天線接收（Rx：Receiver）高頻類比訊號（電磁波）進來。

 

低雜訊放大器（Low Noise Amplifier，LNA）：接收訊號時使用，天線接收進來的高頻類比訊號（電磁波）很微弱，必須先經由低雜訊放大器（LNA）放大訊號，才能進行處理。

 

解調器（Demodulator）：接收訊號時使用，將高頻類比訊號（電磁波）轉換成數碼訊號，再傳送到基頻芯片（BB）進行數碼訊號處理工作

 

所以手機上傳（講電話）的原理是：先由基頻芯片（BB）處理數碼語音訊號，再經由調變器（Modulator）轉換成高頻類比訊號，由混頻器（Mixer）轉換成所需要的頻率，由帶通濾波器（BPF）得到特定頻率范圍（頻帶）的高頻類比訊號（電磁波），由功率放大器（PA）增強訊號，最后由傳送接收器（Tx）傳送到天線輸出。

 

相反的，手機下載（聽電話）的原理是：先由天線傳送過來高頻類比訊號（電磁波），由傳送接收器（Rx）接收進來，再經由帶通濾波器（BPF）得到特定頻率范圍（頻帶）的高頻類比訊號，由低雜訊放大器（LNA）將微弱的訊號放大，由混頻器（Mixer）轉換成所需要的頻率，由解調器（Demodulator）轉換成數碼語音訊號，最后由基頻芯片（BB）處理數碼語音訊號。

 

 

前面介紹的無線通訊系統后端（Back end）使用基頻芯片來處理數碼訊號，前端（Front end）則所使用的集成電路（IC）大致上可以分為“射頻芯片”與“中頻芯片”兩大類，分別使用不同材料的晶圓制作：

 

中頻芯片（Intermediate Frequency，IF）：又稱為“類比基頻（Analog baseband）”，概念上就是“高頻數碼類比轉換器（DAC）”與“高頻類比數碼轉換器（ADC）”，包括：調變器（Modulator）、解調器（Demodulator），通常還有中頻放大器（IF amplifier）與中頻帶通濾波器（IF BPF）等，通常由矽晶圓制作的 CMOS 元件組成，可能是數個集成電路，其些可能整合成一個集成電路（IC）。

 

射頻芯片（Radio Frequency，RF）：又稱為“射頻集成電路（RFIC）”，是處理高頻無線訊號所有芯片的總稱，通常包括：傳送接收器（Transceiver）、低雜訊放大器（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 元件，或矽鍺晶圓制作的 BiCMOS 元件，或矽晶圓制作的 CMOS 元件組成，目前也有用氮化鎵（GaN）制作的功率放大器，可能是數個集成電路，某些可能整合成一個集成電路（IC）。