通訊系統(tǒng)架構(gòu)詳解：基帶、中頻、射頻零部件

　　無線通訊的頻譜有限，分配非常嚴(yán)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(fā)出許多“調(diào)變技術(shù)”（ModulaTIon）與“多任務(wù)技術(shù)”（MulTIplex），來增加頻譜效率，因此才有了3G、4G、5G 不同通訊世代技術(shù)的發(fā)明，那么在我們的手機(jī)里，是什么組件負(fù)責(zé)替我們處理這些技術(shù)的呢？

　　調(diào)變技術(shù)與多任務(wù)技術(shù)

　　首先我們要了解“調(diào)變技術(shù)（ModulaTIon）”與“多任務(wù)技術(shù)（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(shù)碼訊號調(diào)變技術(shù)（ASK、FSK、PSK、QAM）：將模擬的電磁波調(diào)變成不同的波形來代表0與1兩種不同的數(shù)碼訊號。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(jī)天線要傳送出去的數(shù)碼訊號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(qū)分那些是你的（和你通話的），那些是我的（和我通話的）呢？

　　多任務(wù)技術(shù)（TDMA、FDMA、CDMA、OFDM）：將電磁波區(qū)分給不同的使用者使用。TDMA用時間先后來區(qū)分是你的還是我的，F(xiàn)DMA用不同頻率來區(qū)分是你的還是我的，CDMA用不同密碼（正交展頻碼）來區(qū)分是你的還是我的，OFDM用不同正交子載波頻率來區(qū)分是你的還是我的。

　　值得注意的是，不論數(shù)碼訊號調(diào)變技術(shù)或多任務(wù)技術(shù)，都是在數(shù)碼訊號（0與1）進(jìn)行運(yùn)算與處理的時候就一起進(jìn)行，一般是先進(jìn)行多任務(wù)技術(shù)再進(jìn)行數(shù)碼訊號調(diào)變技術(shù)（OFDM除外），所以多任務(wù)技術(shù)與調(diào)變技術(shù)必定是同時使用。

　　數(shù)碼調(diào)變技術(shù)（Digital modulation）

　　現(xiàn)在的手機(jī)是屬于“數(shù)碼通訊”，也就是我們講話的聲音（連續(xù)的模擬訊號），先由手機(jī)轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的0與1兩種數(shù)碼訊號，再經(jīng)由數(shù)碼調(diào)變轉(zhuǎn)換成電磁波（模擬訊號載著數(shù)碼訊號），最后從天線傳送出去，原理如圖一所示。

　　▲ 圖一：數(shù)碼通訊示意圖。（Source：the Noun Project）

　　數(shù)碼通訊系統(tǒng)架構(gòu)

　　數(shù)碼通訊系統(tǒng)的架構(gòu)如圖二（a）所示，使用者可能使用智能手機(jī)打電話進(jìn)行語音通信或上網(wǎng)進(jìn)行資料通信，我們分別說明如下：

　　▲ 圖二：通訊系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

　　語音上傳（講電話）：聲音由麥克風(fēng)接收以后為低頻模擬訊號，經(jīng)由低頻模擬數(shù)碼轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)碼訊號，經(jīng)由“基帶芯片（BB）”進(jìn)行資料壓縮（Encoding）、加循環(huán)式重復(fù)檢查碼（CRC）、頻道編碼（Channel coding）、交錯置（Inter-

　　leaving）、加密（Ciphering）、格式化（Formatting），再進(jìn)行多任務(wù)（Multiplexing）、調(diào)變（Modulation）等數(shù)碼訊號處理，如圖二（b）所示。

　　接下來經(jīng)由“中頻芯片（IF）”也就是高頻數(shù)碼模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為高頻模擬訊號（電磁波）;最后再經(jīng)由“射頻芯片（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(jìn)來，經(jīng)由“射頻芯片（RF）”處理后得到高頻模擬訊號（電磁波），再經(jīng)由“中頻芯片（IF）”也就是高頻模擬數(shù)碼轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)碼訊號。

　　接下來經(jīng)由“基帶芯片（BB）”進(jìn)行解調(diào)（De-modulation）、解多任務(wù)（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(huán)式重復(fù)檢查碼（CRC）、資料解壓縮（Decoding）等數(shù)碼訊號處理，最后再經(jīng)由低頻數(shù)碼模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為低頻模擬訊號（聲音）由麥克風(fēng)播放出來。

　　資料通信（上網(wǎng)）：基本上資料通信不論上傳或下載都是數(shù)碼訊號，所以直接進(jìn)入基帶芯片（BB）處理即可，其他流程與語音通信類似，在此不再重復(fù)描述。

　　注：通訊的原理就是一大堆的數(shù)學(xué)，由于手機(jī)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(jìn)一步了解，但是往往走進(jìn)教室第一堂課看到的是一大堆復(fù)雜的數(shù)碼：傅立葉轉(zhuǎn)換（Fourier Transform）、拉普拉斯轉(zhuǎn)換（Laplace Transform）、離散（Discrete），立刻就打退堂鼓，為了簡化復(fù)雜度讓大家容易看懂，上面對于數(shù)碼通訊系統(tǒng)的介紹只是示意，與實(shí)際的情況會有落差，建議有興趣進(jìn)一步了解的人可以立足于上面的概念，來進(jìn)一步了解技術(shù)細(xì)節(jié)。

　　無線通訊系統(tǒng)架構(gòu)

　　基于前面的介紹，我們來看看智能手機(jī)里幾個重要的集成電路（IC），主要包括：基帶（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(shù)個集成電路（IC），也有可能是把數(shù)個集成電路（IC）封裝成一個，稱為“系統(tǒng)單封裝（System in a Package，SiP）”，或把數(shù)個芯片整合成一個，稱為“系統(tǒng)單芯片（System on a Chip，SoC）”。

　　▲ 圖三：無線通訊系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

　　基帶芯片（Baseband，BB）：屬于數(shù)碼集成電路，用來進(jìn)行數(shù)碼訊號的壓縮/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、多任務(wù)/解多任務(wù)、調(diào)變/解調(diào)，以及管理通訊協(xié)定、控制輸入輸出界面等運(yùn)算工作，著名的移動電話基帶芯片供應(yīng)商包括：高通（Qualcomm）、博通（Broadcom）、邁威爾（Marvell）、聯(lián)發(fā)科（MediaTek）等。

　　調(diào)變器（Modulator）：將基帶芯片處理的數(shù)碼訊號轉(zhuǎn)換成高頻模擬訊號（電磁波），才能傳送很遠(yuǎn)，想要進(jìn)一步了解通訊原理的人可以參考這里。

　　混頻器（Mixer）：主要負(fù)責(zé)頻率轉(zhuǎn)換的工作，將調(diào)變后的高頻模擬訊號（電磁波）轉(zhuǎn)換成所需要的頻率，來配合不同通訊系統(tǒng)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集成電路（RF IC）所需要的工作頻率，通常經(jīng)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(zhǔn)的工作頻率。

　　帶通濾波器（Band Pass Filter，BPF）：只讓特定頻率范圍（頻帶）的高頻模擬訊號（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）：高頻模擬訊號（電磁波）傳送出去之前，必須先經(jīng)由功率放大器（PA）放大，增強(qiáng)訊號才能傳送到夠遠(yuǎn)的地方。

　　傳送接收器（Transceiver）：負(fù)責(zé)傳送（Tx：Transmitter）高頻模擬訊號（電磁波）到天線，或是由天線接收（Rx：Receiver）高頻模擬訊號（電磁波）進(jìn)來。

　　低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）：接收訊號時使用，天線接收進(jìn)來的高頻模擬訊號（電磁波）很微弱，必須先經(jīng)由低噪聲放大器（LNA）放大訊號，才能進(jìn)行處理。

　　解調(diào)器（Demodulator）：接收訊號時使用，將高頻模擬訊號（電磁波）轉(zhuǎn)換成數(shù)碼訊號，再傳送到基帶芯片（BB）進(jìn)行數(shù)碼訊號處理工作。

　　所以手機(jī)上傳（講電話）的原理是：先由基帶芯片（BB）處理數(shù)碼語音訊號，再經(jīng)由調(diào)變器（Modulator）轉(zhuǎn)換成高頻模擬訊號，由混頻器（Mixer）轉(zhuǎn)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）的高頻模擬訊號（電磁波），由功率放大器（PA）增強(qiáng)訊號，最后由傳送接收器（Tx）傳送到天線輸出。

　　相反的，手機(jī)下載（聽電話）的原理是：先由天線傳送過來高頻模擬訊號（電磁波），由傳送接收器（Rx）接收進(jìn)來，再經(jīng)由帶通濾波器（BPF）得到特定頻率范圍（頻帶）的高頻模擬訊號，由低噪聲放大器（LNA）將微弱的訊號放大，由混頻器（Mixer）轉(zhuǎn)換成所需要的頻率，由解調(diào)器（Demodulator）轉(zhuǎn)換成數(shù)碼語音訊號，最后由基帶芯片（BB）處理數(shù)碼語音訊號。

　　通訊相關(guān)集成電路：基帶、中頻、射頻

　　前面介紹的無線通訊系統(tǒng)后端（Back end）使用基帶芯片來處理數(shù)碼訊號，前端（Front end）則所使用的集成電路（IC）大致上可以分為“射頻芯片”與“中頻芯片”兩大類，分別使用不同材料的晶圓制作：

　　中頻芯片（Intermediate Frequency，IF）：又稱為“模擬基帶（Analog baseband）”，概念上就是“高頻數(shù)碼模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）”與“高頻模擬數(shù)碼轉(zhuǎn)換器（ADC）”，包括：調(diào)變器（Modulator）、解調(diào)器（Demodulator），通常還有中頻放大器（IF amplifier）與中頻帶通濾波器（IF BPF）等，通常由硅晶圓制作的CMOS 組件組成，可能是數(shù)個集成電路，其些可能整合成一個集成電路（IC）。

　　射頻芯片（Radio Frequency，RF）：又稱為“射頻集成電路（RFIC）”，是處理高頻無線訊號所有芯片的總稱，通常包括：傳送接收器（Transceiver）、低噪聲放大器（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 組件，或硅鍺晶圓制作的BiCMOS 組件，或硅晶圓制作的CMOS 組件組成，目前也有用氮化鎵（GaN）制作的功率放大器，可能是數(shù)個集成電路，某些可能整合成一個集成電路（IC）。