詹志強(qiáng) / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

手機(jī)的3G、4G和5G（下）

詹志強(qiáng) / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

6 調(diào)制方式

無(wú)線通信的頻譜有限，分配非常嚴(yán)格，相同帶寬的電磁波只能使用一次，例如2G的GSM900系統(tǒng)使用頻率范圍890～960 MHz，則其他無(wú)線通信就不能再使用這個(gè)頻率范圍，否則會(huì)互相干擾。各地?zé)o線電監(jiān)測(cè)站的主要目的是監(jiān)測(cè)劃分的無(wú)線電頻率的使用，并查找干擾的機(jī)構(gòu)。

為了解決僧多粥少的難題，工程師們又研發(fā)出了許多技術(shù)來(lái)提高頻譜的使用效率，這些技術(shù)包括TDMA、FDAM、CDMA、OFDM。為了簡(jiǎn)單解釋這些技術(shù)，只要掌握兩個(gè)基本概念就能了解整個(gè)通信技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵，這兩個(gè)基本概念為調(diào)制技術(shù)（Modulation）與多址技術(shù)（Multiplex）。

其中調(diào)制技術(shù)是將模擬電磁波調(diào)制成不同的波形來(lái)代表0與1兩種不同的數(shù)字信號(hào)，這樣才能利用天線將信號(hào)傳送到很遠(yuǎn)的地方（在這里只討論數(shù)字調(diào)制技術(shù)，早期的AM、FM和PM模擬調(diào)制技術(shù)則不在這里討論）。多址技術(shù)則是將電磁波區(qū)分給不同的使用者使用。由于手機(jī)必須設(shè)計(jì)給所有的人使用，當(dāng)每臺(tái)手機(jī)都將電磁波發(fā)射至空中，該如何區(qū)分哪個(gè)電磁波是誰(shuí)的呢？

6.1 數(shù)字調(diào)制（Digital modulation）

現(xiàn)在的手機(jī)屬于數(shù)字通信范疇，人們講話的聲音（連續(xù)的模擬信號(hào)）先由手機(jī)轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的0與1兩種數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)由數(shù)字調(diào)制至電磁波信號(hào)（模擬信號(hào)載著數(shù)字信號(hào)），最后從天線傳送出去，原理如圖4所示。

圖4 數(shù)字通信示意圖

電磁波是連續(xù)的能量，如何利用電磁波替人們傳送這些0與1的數(shù)字信號(hào)呢？因此科學(xué)家發(fā)明了多種數(shù)字調(diào)制方式，但是在無(wú)線數(shù)字通信中，主要有下列四種數(shù)字調(diào)制技術(shù)。

6.1.1 幅移鍵控（ASK）

利用電磁波的振幅大小載著數(shù)字信號(hào)（0與1）傳送出去，振幅小代表0，振幅大代表1，如圖5（a）所示。

6.1.2 頻移鍵控（FSK）

利用電磁波的頻率高低載著數(shù)字信號(hào)（0與1）傳送出去，頻率低代表0，頻率高代表1，如圖5（b）所示。

6.1.3 相移鍵控（PSK）

利用電磁波的相位不同（波形不同）載著數(shù)字信號(hào)（0 與1）傳送出去，相位0°代表0，相位180°代表1，如圖5（c）所示。

圖5 數(shù)字調(diào)制

其中的PSK是使用最多的調(diào)制方式，以PSK為基礎(chǔ)衍生出BPSK、8PSK、QPSK、DQPSK、π/4-DQPSK等調(diào)制方式。

6.1.4 正交幅度調(diào)制（QAM）

同時(shí)利用電磁波的幅度大小與相位不同（波形不同）載著數(shù)字信號(hào)（0與1）傳送出去。

數(shù)字調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括可以偵錯(cuò)與除錯(cuò)、壓縮與解壓縮、加密與解密以及具有更好的抗干擾能力等。人們所使用手機(jī)2G的GSM/GPRS、3G的UMTS、4G的LTE/LTE-A、無(wú)線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、藍(lán)牙（Bluetooth）等都是使用數(shù)字調(diào)制，顯然數(shù)字通信是發(fā)展的趨勢(shì)，而模擬通信已經(jīng)淘汰。

傳送端將數(shù)字信號(hào)（0 與1）轉(zhuǎn)變成不同的電磁波波形稱為調(diào)制（Modulation）；同理，接收端將不同的電磁波波形還原成數(shù)字信號(hào)（0與1）稱為解調(diào)（Demodulation）。所有的通信設(shè)備一般都必須同時(shí)支持傳送（調(diào)制）與接收（解調(diào)），因此科學(xué)家把負(fù)責(zé)調(diào)制與解調(diào)的元件稱為調(diào)制解調(diào)器，英語(yǔ)中就把Modulation與Demodulation的字頭組合成一個(gè)新單詞Modem，俗稱貓。

6.2 多址技術(shù)（Multiplex）

多人共同使用一條資訊通道的方法稱為多址技術(shù)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，天空只有一個(gè)，你的手機(jī)要發(fā)送電磁波出去，我的手機(jī)也要發(fā)送電磁波出去，兩種電磁波在天空中混在一起，接收端該如何區(qū)分哪些是你的（與你通話的），哪些是我的（與我通話的）呢？

多址技術(shù)的目的就是讓所有人使用，而且彼此不能互相干擾。為了增加數(shù)據(jù)率，可能必須同時(shí)使用兩種以上的多址技術(shù)，才能滿足每個(gè)人都要使用的需求。無(wú)線通信常見(jiàn)的多址技術(shù)包括下列三種。

6.2.1 時(shí)分多址（TDMA）

時(shí)分多址技術(shù)依照時(shí)間先后原則輪流使用一條資訊通道，如圖6所示。目前2G的GSM/GPRS系統(tǒng)就使用TDMA技術(shù)。

圖6 TDMA信號(hào)傳送示意圖，依照時(shí)間先后輪流使用

6.2.2 頻分多址（FDMA）

頻分多址技術(shù)依照頻率不同原則同時(shí)使用一條資訊通道，如圖7所示。前面介紹每一對(duì)使用者必須使用不同的頻率范圍來(lái)通話，其實(shí)就是FDMA。目前2G的GSM/GPRS、3G均使用FDMA系統(tǒng)。

圖7 FDMA信號(hào)傳送示意圖，依照頻率不同同時(shí)使用

6.2.3 碼分多址（CDMA）

碼分多址技術(shù)將不同使用者的資料分別與特定的密碼（Code）運(yùn)算以后，各個(gè)密碼之間是互相正交的，再傳送到資料通道。接收端以不同的密碼來(lái)分辨要接收的信號(hào)，不是自己所需要的碼則不接受，如圖8所示。目前3G使用CDMA系統(tǒng)。

圖8 CDMA信號(hào)傳送示意圖，將不同使用者的資料分別與特定的密碼運(yùn)算

圖9則示出了TDMA、FDMA、CDMA系統(tǒng)在無(wú)線通信中的示意圖。

從圖9（a）中可以看出，TDMA系統(tǒng)不是僅僅使用一個(gè)頻率，也是使用多個(gè)頻率的，但是在每個(gè)頻率上，分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)用戶通信時(shí)僅僅使用一個(gè)時(shí)隙。

從圖9（b）中可以看出，在工作時(shí)，F(xiàn)DMA系統(tǒng)每個(gè)用戶一直使用一個(gè)頻率進(jìn)行通信。

圖9 TDMA、FDMA、CDMA系統(tǒng)在無(wú)線通信中的示意圖

從圖9（c）中可以看出，在CDMA系統(tǒng)中，由于采用相互正交的碼，在一定頻率范圍內(nèi)，同一個(gè)時(shí)間段多個(gè)用戶可以同時(shí)通信。

6.2.4 正交頻分復(fù)用（OFDM）

在通信系統(tǒng)中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號(hào)所需的帶寬要寬得多。如果一個(gè)信道只傳送一路信號(hào)是非常浪費(fèi)的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用正交頻分復(fù)用的方法，OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復(fù)用技術(shù)。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號(hào)的能力，因此常常會(huì)被用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。

OFDM技術(shù)的主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾，每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬。

目前來(lái)說(shuō)，4G的LTE/LTE-A、無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（IEEE802.11a/g/n）、數(shù)字電視（DTV）、數(shù)字音訊廣播（DAB）都使用OFDM技術(shù)。

6.3 多址技術(shù)的比喻

多址技術(shù)比較復(fù)雜，可以想象在房子里，甲與乙要講話，丙與丁要講話，戊與己要講話。

6.3.1 時(shí)分多址（TDMA）

甲與乙先講一句，再換丙與丁講一句，再換戊與己講一句，依此類推，大家輪流（分時(shí)）講話，彼此就不會(huì)互相干擾。

6.3.2 頻分多址（FDMA）

甲與乙在客廳講話，丙與丁在書(shū)房講話，戊與己在臥室講話，大家在不同的房間（分頻）講話，彼此就不會(huì)互相干擾。

6.3.3 碼分多址（CDMA）

甲與乙用中文講話，丙與丁用英文講話，戊與己用日文講話，這樣雖然大家在同一個(gè)房子里講話，對(duì)話方仍然可以分辨出所使用的不同的語(yǔ)言。當(dāng)甲與乙用中文講話時(shí)，丙與丁的英文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會(huì)造成甲與乙解讀中文的困擾；同理，當(dāng)丙與丁用英文講話時(shí)，甲與乙的中文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會(huì)造成丙與丁解讀英文的困擾。在這個(gè)例子中，用不同的語(yǔ)言講話就好像用不同的密碼加密一樣。

7 多模手機(jī)

隨著用戶數(shù)量的增加，單一的頻率資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶通話的需求，要求移動(dòng)通信商開(kāi)辟新的頻段來(lái)擴(kuò)大用戶容量。而采用同一標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)在不同的地區(qū)也會(huì)出現(xiàn)這一情況。如中國(guó)和歐洲的GSM網(wǎng)絡(luò)采用900 MHz和1 800 MHz兩個(gè)頻段，而美國(guó)GSM則使用1 900 MHz頻段，因此只有同時(shí)支持這三個(gè)頻段的手機(jī)才可以在中美之間漫游。多模手機(jī)是指可以在不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)（例如GSM和CDMA2000，GSM和WCDMA）之間使用的手機(jī)，這種手機(jī)可以支持多種不同的無(wú)線電信號(hào)處理方式。多模手機(jī)針對(duì)的問(wèn)題較多頻手機(jī)（指同一種制式，不同的頻段，例如GSM就有850 MHz段、900 MHz段、 1 800 MHz段和1 900 MHz段）更為復(fù)雜。由于針對(duì)的是完全不同的網(wǎng)絡(luò)，它們使用不同的頻段，而且采用了不同的通信編碼方式，這要求手機(jī)提供這兩種模式的發(fā)射、接收和處理信號(hào)系統(tǒng)，其開(kāi)發(fā)難度比多頻手機(jī)要大得多。

由于中國(guó)的通信領(lǐng)域有移動(dòng)、聯(lián)通和電信三大運(yùn)營(yíng)商，而三大運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)模式不盡相同。那個(gè)單卡雙模和單卡多模中的“?！本褪蔷W(wǎng)絡(luò)模式。因此單卡雙模是指一個(gè)卡槽可以支持兩種不同的運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，而多模則更為強(qiáng)大，能支持更多運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

8 手機(jī)SIM卡的目的和用處

SIM卡是Subscriber Identity Model（客戶識(shí)別模塊）的縮寫(xiě)，也稱為智能卡、用戶身份識(shí)別卡。手機(jī)必須裝上此卡方能使用。

SIM卡在一電腦芯片上存儲(chǔ)了數(shù)字移動(dòng)電話客戶的信息和加密的密鑰等內(nèi)容，可供網(wǎng)絡(luò)對(duì)客戶身份進(jìn)行鑒別，完全防止了并機(jī)和通話被竊聽(tīng)行為，并且SIM卡的制作是嚴(yán)格按照各種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范來(lái)完成的，從而可靠地保障了客戶的正常通信。SIM卡在數(shù)字移動(dòng)通信的系統(tǒng)中使用，使卡和手機(jī)分離，SIM卡唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)客戶。一張SIM卡可以插入任何一部與其制式一致的手機(jī)中使用，而使用手機(jī)所產(chǎn)生的通信費(fèi)、上網(wǎng)費(fèi)等則記錄在該SIM卡所唯一標(biāo)識(shí)的客戶帳上。

手機(jī)SIM卡按照大小可以分為普通卡、Micro卡和Nano卡。在尺寸方面，普通卡最大，Nano卡最小。

手機(jī)SIM卡的容量有差別，早期的SIM卡是8 kb卡，只能存儲(chǔ)很少的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在的SIM卡的容量已經(jīng)是64 kb。SIM卡容量有8 kb、16 kb、32 kb、64 kb，其中16 kb以上的大容量SIM卡統(tǒng)稱為多功能STK卡。

9 4G與5G的技術(shù)發(fā)展目的——增加頻譜效率與帶寬

頻譜效率（Spectrum efficiency）是單位帶寬（Hz）具有多少數(shù)據(jù)率（bit/s），可參考表1的說(shuō)明。單位帶寬的數(shù)據(jù)率高代表頻譜效率高。例如，LTE可以提供上傳2.5 bit/s/Hz，下載5 bit/s/Hz；LTE-A可以提供上傳5 bit/s/Hz，下載10 bit/s/Hz，顯然LTE-A的頻譜效率比LTE高。因此4G與5G技術(shù)的發(fā)展只為了兩個(gè)目的——增加頻譜效率和增加帶寬。

表1 無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)的頻譜效率

9.1 增加頻譜效率

由于相同的頻率只能使用一次，因此必須利用更新的調(diào)制與多址技術(shù)來(lái)增加頻譜效率，讓相同帶寬的電磁波具有更高的數(shù)據(jù)率，也就是把更多的0 和1塞進(jìn)相同帶寬的電磁波里來(lái)傳送。

9.2 增加帶寬

由于目前的電磁波頻譜里10 GHz以下的電磁波大部分都已經(jīng)被使用，頻譜效率再怎么提高總有技術(shù)上的極限，因此科學(xué)家只能去發(fā)掘更高頻還沒(méi)有被使用的電磁波來(lái)給5G手機(jī)用?，F(xiàn)在大家明白了為什么5G技術(shù)會(huì)想要使用頻率30 GHz（相當(dāng)于波長(zhǎng)10 mm）的毫米波（Millimeter Wave）了吧。表1給出了無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)的頻譜效率。

10 無(wú)線通信的牌照與頻譜分配和產(chǎn)品論證

無(wú)線通信的頻譜非常珍貴，僧多粥少，因此使用牌照費(fèi)也比較高。那么由誰(shuí)來(lái)決定哪一種系統(tǒng)使用哪一個(gè)頻率范圍才不至于重覆呢？國(guó)內(nèi)的無(wú)線通信牌照是由中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部許可發(fā)放，每一家無(wú)線通信運(yùn)營(yíng)商（例如中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)移動(dòng)）都必須先取得使用牌照才能經(jīng)營(yíng)無(wú)線通信業(yè)務(wù)。發(fā)放牌照同時(shí)也就給出了頻譜范圍以及制式。中國(guó)移動(dòng)擁有TDD制式4G牌照，中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信擁有TDD和FDD制式4G牌照。

11 無(wú)線產(chǎn)品論證

由于大家共用同一個(gè)空間，如果無(wú)線通信設(shè)備任意發(fā)出頻率不正確的信號(hào)會(huì)干擾到其他通信設(shè)備，因此所有的無(wú)線通信設(shè)備，包括人們使用的手機(jī)與無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）、藍(lán)牙（Bluetooth）等產(chǎn)品都必須先進(jìn)行論證才可上市銷售。因此，在國(guó)內(nèi)入網(wǎng)使用的無(wú)線通信產(chǎn)品需要進(jìn)行三項(xiàng)論證：無(wú)線電管理委員會(huì)進(jìn)行的干擾論證，運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)的入網(wǎng)論證和3C論證。

（完）