【5G】手機通訊原理及實體架構

在理解手機無線通信技術前,需先具備一些信號處理的概念如下

■訊號的轉換種類
   類比訊號－類比訊號－類比訊號(例如廣播)
   數位訊號－類比訊號－數位訊號(用數據機上網)
   類比訊號－數位訊號－類比訊號(視訊會議系統)
   數位訊號－數位訊號－數位訊號(數位資料編碼)

■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 (Amplitude Shift Keying) 振幅鍵控 : 用振幅大小來代表 0 與 1、

●FSK  (Frequency Shift Keying) 頻移鍵控 : 用頻率大小來代表 0 與 1、

●PSK  (Phase Shift Keying) 相移鍵控 : 用相位（波形）不同來代表 0 與 1、

●QAM ((Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度調製 :

同時使用振幅大小與相位（波形）不同來代表 0 與 1。

■信號的多工分頻技術

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，

而這麼多不同波形的電磁波丟到空中，該如何區分是誰的?

那就須用到多工技術（TDMA、FDMA、CDMA、OFDM）

●TDMA時分多址

    是採用時分的多址技術。業務信道在不同的時間分配給不同的用戶。

     如GSM、DAMPS等。

●FDMA頻分多址

是採用調頻的多址技術。業務信道在不同的頻段分配給不同的用戶。

如TACS系統、AMPS系統等。

●CDMA 碼分多址

是採用擴頻的碼分多址技術。所有用戶在同一時間、同一頻段上根據不同

的編碼獲得業務信道。

●OFDM

是一種多載波傳輸技術，可以有效的抵抗多徑效應，能夠有效的利用頻譜

資源，類似於QPSK、16QAM等，可將信息bit調製成碼片發送出去 

有了上述信號處理的概念後便可開始理解手機無線通信的原理與實體架構

■手機通訊原理 

●手機通訊原理圖

●手機上傳（講電話）的原理

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）得到特定頻率範圍（頻帶）的高頻類比訊號（電磁波），由功率放大器（PA）增強訊號，最後由傳送接收器（Tx）傳送到天線輸出。

●手機下載（聽電話）的原理

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，經由「射頻晶片（RF）」處理後得到高頻數位訊號（電磁波），再經由「中頻晶片（IF）」也就是高頻數模轉換器（ADC）轉換為數碼訊號。

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，最後再經由低頻數模轉換器（DAC）轉換為低頻類比信號（聲音）由麥克風播放出來。

【視頻】How does your mobile phone work? | ICT #1

■手機無線通訊的實體架構 

●手機無線通訊系統分三大模組：基頻（BB）、中頻（IF）、射頻（RF）。

一般將介於天線與基頻間的中頻（IF）、射頻（RF）兩模組

合稱⎾射頻模組(RF-FEM) ⏌ 。

■5G手機射頻天線模組架構圖

 ■系統各晶片功能 

●基頻晶片（Baseband，BB）

等同Internet網路的 Modem功能。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。

●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。

●混頻器（Mixer）

主要負責頻率轉換的工作，將調變後的高頻類比訊號轉換成所需要的頻率，

來配合不同的無線頻譜使用。

●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「相位鎖定迴路（PLL：Phase Locked Loop）」與「電壓控制振盪器

（VCO：Voltage Controlled Oscillator）」來提供精準的工作頻率。

●帶通濾波器（Band Pass Filter，BPF）

只讓特定頻率範圍（頻帶）的高頻類比訊號通過，將不需要的頻率範圍濾除，

得到需要的頻率範圍（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

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