让你一次看懂手机芯片的工作原理

2017-03-17 by:CAE仿真在线来源:互联网

在《解析通讯技术(上)》与《解析通讯技术(下)》中,我们了解到无线通讯的频谱有限,分配非常严格,相同频宽的电磁波只能使用一次,为了解决僧多粥少的难题,工程师研发出许多“调变技术”(Modulation)与“多工技术”(Multiplex),来增加频谱效率,因此才有了 3G、4G、5G 不同通讯世代技术的发明,那么在我们的手机里,是什么元件负责替我们处理这些技术的呢?

调变技术与多工技术

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?

数位讯号调变技术(ASK、FSK、PSK、QAM):将类比的电磁波调变成不同的波形来代表 0 与 1 两种不同的数位讯号。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位讯号 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,不论数位讯号调变技术或多工技术,都是在数位讯号(0 与 1)进行运算与处理的时候就一起进行,一般是先进行多工技术再进行数位讯号调变技术(OFDM 除外),所以多工技术与调变技术必定是同时使用。

数位调变技术(Digital modulation)

现在的手机是属于“数位通讯”,也就是我们讲话的声音(连续的类比讯号),先由手机转换成不连续的0与1两种数位讯号,再经由数位调变转换成电磁波(类比讯号载着数位讯号),最后从天线传送出去,原理如图一所示。

▲ 图一:数位通讯示意图。

数位通讯系统架构

数位通讯系统的架构如图二(a)所示,使用者可能使用智慧型手机打电话进行语音通信或上网进行资料通信,我们分别说明如下:

▲ 图二: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类比讯号,经由低频类比数位转换器(ADC)转换为数位讯号,经由“基频晶片(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)等数位讯号处理,如图二(b)所示。

接下来经由“中频晶片(IF)”也就是高频数位类比转换器(DAC)转换为高频类比讯号(电磁波);最后再经由“射频晶片(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“射频晶片(RF)”处理后得到高频类比讯号(电磁波),再经由“中频晶片(IF)”也就是高频类比数位转换器(ADC)转换为数位讯号。

接下来经由“基频晶片(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)等数位讯号处理,最后再经由低频数位类比转换器(DAC)转换为低频类比讯号(声音)由麦克风播放出来。

资料通信(上网):基本上资料通信不论上传或下载都是数位讯号,所以直接进入基频晶片(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位: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,上面对于数位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。

无线通讯系统架构

基于前面的介绍,我们来看看智慧型手机里几个重要的积体电路(IC),主要包括:基频(BB)、中频(IF)、射频(RF)三个部份,如图三所示,每个部分都可能有一个到数个积体电路(IC),也有可能是把数个积体电路(IC)封装成一个,称为“系统单封装(System in a Package,SiP)”,或把数个晶片整合成一个,称为“系统单晶片(System on a Chip,SoC)”。

▲ 图三:无线通讯系统架构示意图。

基频晶片(Baseband,BB):属于数位积体电路,用来进行数位讯号的压缩/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,着名的行动电话基频晶片供应商包括:高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、迈威尔(Marvell)、联发科(MediaTek)等。

调变器(Modulator):将基频晶片处理的数位讯号转换成高频类比讯号(电磁波),才能传送很远,想要进一步了解通讯原理的人可以参考这里。

混频器(Mixer):主要负责频率转换的工作,将调变后的高频类比讯号(电磁波)转换成所需要的频率,来配合不同通讯系统的频率范围(无线频谱)使用。

解调器(Demodulator):接收讯号时使用,将高频类比讯号(电磁波)转换成数位讯号,再传送到基频晶片(BB)进行数位讯号处理工作

所以手机上传(讲电话)的原理是:先由基频晶片(BB)处理数位语音讯号,再经由调变器(Modulator)转换成高频类比讯号,由混频器(Mixer)转换成所需要的频率,由带通滤波器(BPF)得到特定频率范围(频带)的高频类比讯号(电磁波),由功率放大器(PA)增强讯号,最后由传送接收器(Tx)传送到天线输出。

相反的,手机下载(听电话)的原理是:先由天线传送过来高频类比讯号(电磁波),由传送接收器(Rx)接收进来,再经由带通滤波器(BPF)得到特定频率范围(频带)的高频类比讯号,由低杂讯放大器(LNA)将微弱的讯号放大,由混频器(Mixer)转换成所需要的频率,由解调器(Demodulator)转换成数位语音讯号,最后由基频晶片(BB)处理数位语音讯号。