手機的3G、4G和5G（下）

詹志強 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

手機的3G、4G和5G（下）

詹志強 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

6 調(diào)制方式

無線通信的頻譜有限，分配非常嚴格，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，則其他無線通信就不能再使用這個頻率范圍，否則會互相干擾。各地無線電監(jiān)測站的主要目的是監(jiān)測劃分的無線電頻率的使用，并查找干擾的機構(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)來提高頻譜的使用效率，這些技術(shù)包括TDMA、FDAM、CDMA、OFDM。為了簡單解釋這些技術(shù)，只要掌握兩個基本概念就能了解整個通信技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵，這兩個基本概念為調(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)制成不同的波形來代表0與1兩種不同的數(shù)字信號，這樣才能利用天線將信號傳送到很遠的地方（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。由于手機必須設(shè)計給所有的人使用，當每臺手機都將電磁波發(fā)射至空中，該如何區(qū)分哪個電磁波是誰的呢？

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

現(xiàn)在的手機屬于數(shù)字通信范疇，人們講話的聲音（連續(xù)的模擬信號）先由手機轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的0與1兩種數(shù)字信號，再經(jīng)由數(shù)字調(diào)制至電磁波信號（模擬信號載著數(shù)字信號），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)字信號呢？因此科學家發(fā)明了多種數(shù)字調(diào)制方式，但是在無線數(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（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（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（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（0與1）傳送出去。

數(shù)字調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點包括可以偵錯與除錯、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2G的GSM/GPRS、3G的UMTS、4G的LTE/LTE-A、無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、藍牙（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，而模擬通信已經(jīng)淘汰。

傳送端將數(shù)字信號（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（0與1）稱為解調(diào)（Demodulation）。所有的通信設(shè)備一般都必須同時支持傳送（調(diào)制）與接收（解調(diào)），因此科學家把負責調(diào)制與解調(diào)的元件稱為調(diào)制解調(diào)器，英語中就把Modulation與Demodulation的字頭組合成一個新單詞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)。簡單地說，天空只有一個，你的手機要發(fā)送電磁波出去，我的手機也要發(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，可能必須同時使用兩種以上的多址技術(shù)，才能滿足每個人都要使用的需求。無線通信常見的多址技術(shù)包括下列三種。

6.2.1 時分多址（TDMA）

時分多址技術(shù)依照時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信號傳送示意圖，依照時間先后輪流使用

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使用一條資訊通道，如圖7所示。前面介紹每一對使用者必須使用不同的頻率范圍來通話，其實就是FDMA。目前2G的GSM/GPRS、3G均使用FDMA系統(tǒng)。

圖7 FDMA信號傳送示意圖，依照頻率不同同時使用

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）運算以后，各個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分辨要接收的信號，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信號傳送示意圖，將不同使用者的資料分別與特定的密碼運算

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

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

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

圖9 TDMA、FDMA、CDMA系統(tǒng)在無線通信中的示意圖

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)，同一個時間段多個用戶可以同時通信。

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所需的帶寬要寬得多。如果一個信道只傳送一路信號是非常浪費的，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的能力，因此常常會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)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾，每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬。

目前來說，4G的LTE/LTE-A、無線區(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）講話，彼此就不會互相干擾。

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房子里講話，對話方仍然可以分辨出所使用的不同的語言。當甲與乙用中文講話時，丙與丁的英文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會造成甲與乙解讀中文的困擾；同理，當丙與丁用英文講話時，甲與乙的中文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會造成丙與丁解讀英文的困擾。在這個例子中，用不同的語言講話就好像用不同的密碼加密一樣。

7 多模手機

隨著用戶數(shù)量的增加，單一的頻率資源遠遠不能滿足用戶通話的需求，要求移動通信商開辟新的頻段來擴大用戶容量。而采用同一標準的網(wǎng)絡(luò)在不同的地區(qū)也會出現(xiàn)這一情況。如中國和歐洲的GSM網(wǎng)絡(luò)采用900 MHz和1 800 MHz兩個頻段，而美國GSM則使用1 900 MHz頻段，因此只有同時支持這三個頻段的手機才可以在中美之間漫游。多模手機是指可以在不同技術(shù)標準的網(wǎng)絡(luò)（例如GSM和CDMA2000，GSM和WCDMA）之間使用的手機，這種手機可以支持多種不同的無線電信號處理方式。多模手機針對的問題較多頻手機（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，這要求手機提供這兩種模式的發(fā)射、接收和處理信號系統(tǒng)，其開發(fā)難度比多頻手機要大得多。

由于中國的通信領(lǐng)域有移動、聯(lián)通和電信三大運營商，而三大運營商的網(wǎng)絡(luò)模式不盡相同。那個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卡槽可以支持兩種不同的運營商的網(wǎng)絡(luò)，而多模則更為強大，能支持更多運營商的移動通信網(wǎng)絡(luò)。

8 手機SIM卡的目的和用處

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

SIM卡在一電腦芯片上存儲了數(shù)字移動電話客戶的信息和加密的密鑰等內(nèi)容，可供網(wǎng)絡(luò)對客戶身份進行鑒別，完全防止了并機和通話被竊聽行為，并且SIM卡的制作是嚴格按照各種國際標準和規(guī)范來完成的，從而可靠地保障了客戶的正常通信。SIM卡在數(shù)字移動通信的系統(tǒng)中使用，使卡和手機分離，SIM卡唯一標識一個客戶。一張SIM卡可以插入任何一部與其制式一致的手機中使用，而使用手機所產(chǎn)生的通信費、上網(wǎng)費等則記錄在該SIM卡所唯一標識的客戶帳上。

手機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SIM卡的容量有差別，早期的SIM卡是8 kb卡，只能存儲很少的數(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)展只為了兩個目的——增加頻譜效率和增加帶寬。

表1 無線數(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塞進相同帶寬的電磁波里來傳送。

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，因此科學家只能去發(fā)掘更高頻還沒有被使用的電磁波來給5G手機用?，F(xiàn)在大家明白了為什么5G技術(shù)會想要使用頻率30 GHz（相當于波長10 mm）的毫米波（Millimeter Wave）了吧。表1給出了無線數(shù)字通信系統(tǒng)的頻譜效率。

10 無線通信的牌照與頻譜分配和產(chǎn)品論證

無線通信的頻譜非常珍貴，僧多粥少，因此使用牌照費也比較高。那么由誰來決定哪一種系統(tǒng)使用哪一個頻率范圍才不至于重覆呢？國內(nèi)的無線通信牌照是由中華人民共和國工業(yè)和信息化部許可發(fā)放，每一家無線通信運營商（例如中國電信、中國聯(lián)通、中國移動）都必須先取得使用牌照才能經(jīng)營無線通信業(yè)務(wù)。發(fā)放牌照同時也就給出了頻譜范圍以及制式。中國移動擁有TDD制式4G牌照，中國聯(lián)通和中國電信擁有TDD和FDD制式4G牌照。

11 無線產(chǎn)品論證

由于大家共用同一個空間，如果無線通信設(shè)備任意發(fā)出頻率不正確的信號會干擾到其他通信設(shè)備，因此所有的無線通信設(shè)備，包括人們使用的手機與無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）、藍牙（Bluetooth）等產(chǎn)品都必須先進行論證才可上市銷售。因此，在國內(nèi)入網(wǎng)使用的無線通信產(chǎn)品需要進行三項論證：無線電管理委員會進行的干擾論證，運營商負責的入網(wǎng)論證和3C論證。

（完）