3G、4G、5G, 一文看懂手机里的通讯技术

无线通信的频谱有限，分配非常严格，相同带宽的电磁波只能使用一次，为了解决僧多粥少的难题，工程师研发出许多“调制技术”与 “多工技术”来增加频谱效率，因此才有了3G、4G、5G不同通信时代技术的发明，那么在我们的手机里，是什么元件负责替我们处理这些技术的呢？
　

一、调变技术与多工技术
　

首先我们要了解：“调变技术”与“多工技术”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）：

将类比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？

多工技术（TDMA、FDMA、CDMA、OFDM）：

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工技术，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，一般是先进行多工技术再进行数码讯号调变技术（OFDM 除外），所以多工技术与调变技术必定是同时使用。

数码调变技术

现在的手机是属于“数码通讯”，也就是我们讲话的声音（连续的类比讯号），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（类比讯号载着数码讯号），最后从天线传送出去，原理如图所示。
　

二、数码通讯系统架构
　

数码通讯系统的架构如图所示，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：
　

语音上传（讲电话）：声音由麦克风接收以后为低频类比讯号，经由低频类比数码转换器转换为数码讯号，经由“基频芯片”进行资料压缩、加循环式重复检查码、频道编码、交错置、加密、格式化，再进行多工、调变等数码讯号处理。

接下来经由“中频芯片（IF）”也就是高频数码类比转换器（DAC）转换为高频类比讯号（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）”处理后得到高频类比讯号（电磁波），再经由“中频芯片（IF）”也就是高频类比数码转换器（ADC）转换为数码讯号。

接下来经由“基频芯片（BB）”进行解调（De-modulation）、解多工（De-multiplexing）、解格式化（De-formatting）、解密（De-ciphering）、解交错置（De-inter-leaving）、频道解码（Channel decoding）、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类比转换器（DAC）转换为低频类比讯号（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，所以直接进入基频芯片（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（Fourier Transform）、拉普拉斯转换（Laplace Transform）、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。