解析通訊元件:由基頻、中頻、射頻零組件讓你一次看懂手機晶片

作者 | 發布日期 2015 年 10 月 22 日 16:54 | 分類 手機 , 晶片 , 零組件 follow us in feedly
flickr Björn Lindell

在《解析通訊技術(上)》與《解析通訊技術(下)》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,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,那麼在我們的手機裡,是什麼元件負責替我們處理這些技術的呢?



調變技術與多工技術

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麼不同?

數位訊號調變技術(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 兩種不同的數位訊號。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位訊號 0 與 1 都變成不同波形的電磁波了,問題又來了,這麼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 用時間先後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,不論數位訊號調變技術或多工技術,都是在數位訊號(0 與 1)進行運算與處理的時候就一起進行,所以多工技術與調變技術必定是同時使用。

數位調變技術(Digital modulation)

現在的手機是屬於「數位通訊」,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 兩種數位訊號,再經由數位調變轉換成電磁波(類比訊號載著數位訊號),最後從天線傳送出去,原理如圖一所示。

曲老師

▲ 圖一:數位通訊示意圖。(Source:the Noun Project

數位通訊系統架構

數位通訊系統的架構如圖二(a)所示,使用者可能使用智慧型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:

曲老師

▲ 圖二:通訊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後為低頻類比訊號,經由低頻類比數位轉換器(ADC)轉換為數位訊號,經由「基頻晶片(BB)」進行資料壓縮(Encoding)、加循環式重複檢查碼(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)等數位訊號處理,如圖二(b)所示。

接下來經由高頻數位類比轉換器(DAC)轉換為高頻類比訊號(電磁波);最後再經由「射頻晶片(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「射頻晶片(RF)」處理後得到高頻類比訊號(電磁波),再經由高頻類比數位轉換器(ADC)轉換為數位訊號。

接下來經由「基頻晶片(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)、解循環式重複檢查碼(CRC)、資料解壓縮(Decoding)等數位訊號處理,最後再經由低頻數位類比轉換器(DAC)轉換為低頻類比訊號(聲音)由耳機播放出來。

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

註:通訊的原理就是一大堆的數學,由於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複雜的數位: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,為了簡化複雜度讓大家容易看懂,上面對於數位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於上面的概念,來進一步了解技術細節。

 

通訊相關積體電路:基頻晶片、中頻晶片、射頻晶片

基頻晶片(Baseband,BB):屬於數位積體電路,用來進行數位訊號的壓縮/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、控制輸入輸出介面等運算工作,目前都已經整合成一個「系統單晶片(System on a Chip,SoC)」了,著名的行動電話基頻晶片供應商包括:高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、邁威爾(Marvell)、聯發科(MediaTek)等。

中頻晶片(Intermediate Frequency,IF):由於通訊電磁波的頻率很高,要由數位訊號開始直接將訊號的頻率提高到電磁波的頻率(GHz)會遇到許多困難,因此可以先以訊號頻率比高頻電磁波還低的「中頻」來處理,早期的通訊系統有中頻晶片,後來由於「直接轉換(Direct conversion)」技術的進步,可以克服訊號靈敏度與雜訊問題,射頻可以直接降為基頻處理,少了中頻晶片可以結省空間與降低成本,達到「零中頻(Zero IF,ZIF)」的目標。

射頻晶片(Radio Frequency,RF):又稱為「射頻積體電路(RFIC)」,是處理高頻電磁波所有晶片的總稱,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,通常由砷化鎵晶圓製作的 MESFET、HEMT 元件,或矽鍺晶圓製作的 BiCMOS 元件,或矽晶圓製作的 CMOS 元件組成,目前也有用氮化鎵(GaN)製作的功率放大器,可能是數個積體電路(IC),某些可能整合成一個「系統單晶片(SoC)」。

(首圖來源:Flickr/Björn Lindell CC BY 2.0)

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