作者 Dr. J/technews
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”（Modulation）与“复用技术”（Multiplex），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？
- 调制技术与复用技术
- 数字调制技术（Digital modulation）
- 数字通信系统架构
- 无线通信系统架构
- 通信相关集成电路：基频、中频、射频
首先我们要了解“调制技术（Modulation）”与“复用技术（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？
数字信号调制技术（ASK、FSK、PSK、QAM）：将模拟的电磁波调制成不同的波形来代表 0 与 1 两种不同的数字信号。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字信号 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？
复用技术（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，不论数字信号调制技术或复用技术，都是在数字信号（0 与 1）进行运算与处理的时候就一起进行，一般是先进行复用技术再进行数字信号调制技术（OFDM 除外），所以复用技术与调制技术必定是同时使用。
数字调制技术（Digital modulation）
现在的手机是属于“数字通信”，也就是我们讲话的声音（连续的模拟信号），先由手机转换成不连续的0与1两种数字信号，再经由数字调制转换成电磁波（模拟信号载着数字信号），最后从天线传送出去，原理如图一所示。
▲ 图一：数字通信示意图。（Source：the Noun Project）
数字通信系统架构
数字通信系统的架构如图二（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数据通信，我们分别说明如下
▲ 图二：通信系统架构示意图。
语音上传（讲电话）：声音由麦克风接收以后为低频模拟信号，经由低频模拟数字转换器（ADC）转换为数字信号，经由“基频芯片（BB）”编码（Encoding）、加循环式重复检查码（CRC）、频道编码（Channel coding）、交织（Inter-leaving）、加密（Ciphering）、格式化（Formatting），再进行复用（Multiplexing，复用）、调制（Modulation）等数字信号处理，如图二（b）所示。
接下来经由“中频芯片（IF）”也就是高频数字模拟转换器（DAC）转换为高频模拟信号（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信号（电磁波），再经由“中频芯片（IF）”也就是高频模拟数字转换器（ADC）转换为数字信号。
接下来经由“基频芯片（BB）”进行解调（De-modulation）、解复用（De-multiplexing）、解格式化（De-formatting）、解密（De-ciphering）、解交织（De-inter-leaving）、频道解码（Channel decoding）、解循环式重复检查码（CRC）、数据解压缩（Decoding）等数字信号处理，最后再经由低频数字模拟转换器（DAC）转换为低频模拟信号（声音）由麦克风播放出来。
数据通信（上网）：基本上数据通信不论上传或下载都是数字信号，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：通信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，一般人对通信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字：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，上面对于数字通信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。
无线通信系统架构
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：基频（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（System in a Package，SiP）”，或把数个芯片整合成一个，称为“系统单芯片（System on a Chip，SoC）”。
▲ 图三：无线通信系统架构示意图。
基频芯片（Baseband，BB）：属于数字集成电路，用来进行数字信号的压缩／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、复用／解复用、调制／解调，以及管理通信协定、控制输入输出界面等运算工作，著名的移动电话基频芯片供应商包括：高通（Qualcomm）、博通 （Broadcom）、迈威尔（Marvell）、联发科（MediaTek）等。
调制器（Modulator）：将基频芯片处理的数字信号转换成高频模拟信号（电磁波），才能传送很远，想要进一步了解通信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，将调制后的高频模拟信号（电磁波）转换成所需要的频率，来配合不同通信系统的频率范围（无线频谱）使用。
合成器（Synthesizer）：提供无线通信电磁波与射频集成电路（RF IC）所需要的工作频率，通常经由“相位锁定回路（PLL：Phase Locked Loop）”与“电压控制振荡器（VCO：Voltage Controlled Oscillator）”来提供精准的工作频率。
带通滤波器（Band Pass Filter，BPF）：只让特定频率范围（频带）的高频模拟信号（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（Power Amplifier，PA）：高频模拟信号（电磁波）传送出去之前，必须先经由功率放大器（PA）放大，增强信号才能传送到够远的地方。
传送接收器（Transceiver）：负责传送（Tx：Transmitter）高频模拟信号（电磁波）到天线，或是由天线接收（Rx：Receiver）高频模拟信号（电磁波）进来。
低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）：接收信号时使用，天线接收进来的高频模拟信号（电磁波）很微弱，必须先经由低噪声放大器（LNA）放大信号，才能进行处理。
解调器（Demodulator）：接收信号时使用，将高频模拟信号（电磁波）转换成数字信号，再传送到基频芯片（BB）进行数字信号处理工作
所以手机上传（讲电话）的原理是：先由基频芯片（BB）处理数字语音信号，再经由调制器（Modulator）转换成高频模拟信号，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）的高频模拟信号（电磁波），由功率放大器（PA）增强信号，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信号（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）的高频模拟信号，由低噪声放大器（LNA）将微弱的信号放大，由混频器 （Mixer）转换成所需要的频率，由解调器（Demodulator）转换成数字语音信号，最后由基频芯片（BB）处理数字语音信号。
通信相关集成电路：基频、中频、射频
前面介绍的无线通信系统后端（Back end）使用基频芯片来处理数字信号，前端（Front end）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（Intermediate Frequency，IF）：又称为“模拟基频（Analog baseband）”，概念上就是“高频数字模拟转换器（DAC）”与“高频模拟数字转换器（ADC）”，包括：调制器（Modulator）、解调器 （Demodulator），通常还有中频放大器（IF amplifier）与中频带通滤波器（IF BPF）等，通常由矽晶圆制作的 CMOS 元件组成，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（Radio Frequency，RF）：又称为“射频集成电路（RFIC）”，是处理高频无线信号所有芯片的总称，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 元件，或矽锗晶圆制作的 BiCMOS 元件，或矽晶圆制作的 CMOS 元件组成，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）。
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连着之前无线通讯技术的解析文章一起发上来。