【儀器儀表商情網 技術分析】：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?
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么不同?
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，一般是先進行多工技術再進行數位訊號調變技術(OFDM 除外)，所以多工技術與調變技術必定是同時使用。
數位調變技術(Digital modulation)
現在的手機是屬于“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)，最后從天線傳送出去，原理如圖一所示。
▲ 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：
▲ 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)等數位訊號處理，如圖二(b)所示。
接下來經由“中頻晶片(IF)”也就是高頻數位類比轉換器(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)”處理后得到高頻類比訊號(電磁波)，再經由“中頻晶片(IF)”也就是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)、解循環式重復檢查碼(CRC)、資料解壓縮(Decoding)等數位訊號處理，最后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，為了簡化復雜度讓大家容易看懂，上面對于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于上面的概念，來進一步了解技術細節。
無線通訊系統架構
基于前面的介紹，我們來看看智慧型手機里幾個重要的積體電路(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積體電路(IC)，也有可能是把數個積體電路(IC)封裝成一個，稱為“系統單封裝(System in a Package，SiP)”，或把數個晶片整合成一個，稱為“系統單晶片(System on a Chip，SoC)”。
▲ 圖三：無線通訊系統架構示意圖。
基頻晶片(baseband，BB)：屬于數位積體電路，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，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。
調變器(Modulator)：將基頻晶片處理的數位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積體電路(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)轉換成數位訊號，再傳送到基頻晶片(BB)進行數位訊號處理工作
所以手機上傳(講電話)的原理是：先由基頻晶片(BB)處理數位語音訊號，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)轉換成數位語音訊號，最后由基頻晶片(BB)處理數位語音訊號。
通訊相關積體電路：基頻、中頻、射頻
前面介紹的無線通訊系統后端(Back end)使用基頻晶片來處理數位訊號，前端(Front end)則所使用的積體電路(IC)大致上可以分為“射頻晶片”與“中頻晶片”兩大類，分別使用不同材料的晶圓制作：
中頻晶片(Intermediate Frequency，IF)：又稱為“類比基頻(Analog baseband)”，概念上就是“高頻數位類比轉換器(DAC)”與“高頻類比數位轉換器(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，可能是數個積體電路，其些可能整合成一個積體電路(IC)。
射頻晶片(Radio Frequency，RF)：又稱為“射頻積體電路(RFIC)”，是處理高頻無線訊號所有晶片的總稱，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，可能是數個積體電路，某些可能整合成一個積體電路(IC)。
