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3G、4G、5G背后的科学含义,你真的懂吗?

Dr.J?? 2015年10月15日 ?? 收藏3

在前文中,我们了解到无线通信的频谱有限,分配非常严格,相同带宽的电磁波只能使用一次,例如 2G 的 GSM900 系统使用频率范围 890~960MHz,则其他的无线通信就不能再使用这个频率范围,否则会互相干扰。为了解决僧多粥少的难题,工程师研发出许多技术,来扩增频谱的使用率,例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM,而在这些复杂技术的背后,只要能掌握两个基本概念,就能了解整个通讯技术的发展关键。

这两个基本概念为「调变技术」(Modulation)与「多任务技术」(Multiplex)。其中调变技术是将模拟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,这样才能利用天线传送到很远的地方(这里只谈数字调变技术,不讨论早期的 AM、FM 这种模拟调变技术)。多任务技术则是将电磁波区分给不同的使用者使用,由于手机必须设计给所有的人使用,当每支手机都把电磁波丢到空中,该如何区分那个电磁波是谁的呢?

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,原理如图3所示。

图3:数字通讯示意图。(Source:the noun project)
图3:数字通讯示意图。(Source:the noun project)

电磁波是连续的能量,如何利用电磁波替我们传送这些0与1的数字讯号呢?因此科学家发明了下列 4 种数字调变技术:

1.振幅位移键送(ASK):利用电磁波的「振幅大小」载着数字讯号(0 与 1)传送出去,振幅小代表 0,振幅大代表 1,图4(a)所示。

2.频率位移键送(FSK):利用电磁波的「频率高低」载着数字讯号(0 与 1)传送出去,频率低代表 0,频率高代表 1,图4(b)所示。

3.相位位移键送(PSK):利用电磁波的「相位不同(波形不同)」载着数字讯号(0 与 1)传送出去,相位 0° 代表 0,相位 180° 代表 1,图4(c)所示。

4.正交振幅调变(QAM):同时利用电磁波的「振幅大小」与「相位不同(波形不同)」载着数字讯号(0 与 1)传送出去,这个图形比较复杂有兴趣的人可以参考这里。

图4:数字讯号调变技术。(a)ASK:振幅小代表 0,振幅大代表 1;(b)FSK:频率低代表 0,频率高代表 1;(c)PSK:相位 0° 代表 0,相位 180° 代表 1。
图4:数字讯号调变技术。(a)ASK:振幅小代表 0,振幅大代表 1;(b)FSK:频率低代表 0,频率高代表 1;(c)PSK:相位 0° 代表 0,相位 180° 代表 1。

数字调变技术的优点包括可以侦错与除错、可以压缩与解压缩、可以加密与解密、更好的抗噪声能力等,我们所使用手机 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、无线局域网络(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)等都是使用数字调变,显然数字通讯是发展的趋势。

传送端将数字讯号(0 与 1)转变成不同的电磁波波形称为「调变(Modulation)」;同理,接收端将不同的电磁波波形还原成数字讯号(0 与 1)称为「解调(Demodulation)」,所有的通讯装置一般都必须同时支持传送(调变)与接收(解调),因此科学家把负责调变与解调的组件称为「调变解调器」,英文就把「Modulation」与「Demodulation」的字头组合成一个新单字「Modem」,下回只要听到 Modem 就知道它是在做通讯用的组件啰!

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通讯技术? 3G? 4G? 5G?

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