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手机通信芯片的工作原理

菜鸟
2016-06-17 12:53:10     打赏

为了介绍手机通信元器件的具体工作方式,首先我们要了解「调变技术(Modulation)」与「多工技术(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?

数字讯号调变技术(ASK、FSK、PSK、QAM):将模拟的电磁波调变成不同的波形来代表0与1两种不同的数字讯号。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字讯号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):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,不论数字讯号调变技术或多工技术,都是在数字讯号(0 与1)进行运算与处理的时候就一起进行,所以多工技术与调变技术必定是同时使用。

数字调变技术(Digital modulation)

现在的手机是属于「数字通讯」,也就是我们讲话的声音(连续的模拟讯号),先由手机转换成不连续的0 与1两种数字讯号,再经由数字调变转换成电磁波(模拟讯号载着数字讯号),最后从天线传送出去。


数字通讯系统架构

▲ 图二:通讯通讯系统架构示意图。

语音上传(讲电话):声音由麦克风接收以后为低频模拟讯号,经由低频模拟数字转换器(ADC)转换为数字讯号,经由「基频芯片(BB)」进行资料压缩(Encoding)、加循环式重复检查码(CRC)、频道编码(Channel
coding)、交错置(Inter-leaving)、加密(Ciphering)、格式化(Formatting),再进行多工(Multiplexing)、调变(Modulation)等数字讯号处理,如图二(b)所示。

接下来经由高频数字模拟转换器(DAC)转换为高频模拟讯号(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)」处理后得到高频模拟讯号(电磁波),再经由高频模拟数字转换器(ADC)转换为数字讯号。

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)等数字讯号处理,最后再经由低频数字模拟转换器(DAC)转换为低频模拟讯号(声音)由耳机播放出来。

资料通信(上网):基本上资料通信不论上传或下载都是数字讯号,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。

通讯相关集成电路:基频芯片、中频芯片、射频芯片

基频芯片(Baseband,BB):属于数字集成电路,用来进行数字讯号的压缩/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、多工/解多工、调变/解调,以及管理通讯协定、控制输入输出介面等运算工作,目前都已经整合成一个「系统单芯片(System on a Chip,SoC)」了,著名的行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。

中频芯片(Intermediate
Frequency,IF):由于通讯电磁波的频率很高,要由数字讯号开始直接将讯号的频率提高到电磁波的频率(GHz)会遇到许多困难,因此可以先以讯号频率比高频电磁波还低的「中频」来处理,早期的通讯系统有中频芯片,后来由于「直接转换(Direct conversion)」技术的进步,可以克服讯号灵敏度与杂讯问题,射频可以直接降为基频处理,少了中频芯片可以结省空间与降低成本,达到「零中频(Zero IF,ZIF)」的目标。

射频芯片(Radio Frequency,RF):又称为「射频集成电路(RFIC)」,是处理高频电磁波所有芯片的总称,通常包括:传送接收器(Transceiver)、低杂讯放大器(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(IC),某些可能整合成一个「系统单芯片(SoC) 」。



助工
2016-06-17 17:22:38     打赏
2楼

高工
2016-06-17 21:14:27     打赏
3楼
看看

院士
2016-06-24 16:35:10     打赏
4楼
学习了解一下,谢谢分享。

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