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。

▲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：

▲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就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)”。

▲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，著名的移动电话基带芯片供应商包括：高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、迈威尔(Marvell)、联发科(MediaTek)等。

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)：又称为“射频集成电路(RFIC)”，是处理高频无线讯号所有芯片的总称，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，通常由砷化镓晶圆制作的MESFET、HEMT组件，或硅锗晶圆制作的BiCMOS组件，或硅晶圆制作的CMOS组件组成，目前也有用氮化镓(GaN)制作的功率放大器，可能是数个集成电路，某些可能整合成一个集成电路(IC)。