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解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(下)

  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,例如2G的GSM900系统使用频率范围890~960MHz,则其他的无线通讯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“多工技术”(Multiplex)。其中调变技术是将类比电磁波调变成不同的波形,来代表0与1两种不同的数码讯号,这样才能利用天线传送到很远的地方(这里只谈数码调变技术,不讨论早期的AM、FM这种类比调变技术)。多工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?

  数码调变技术(Digitalmodulation)

  现在的手机是属于“数码通讯”,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1两种数码讯号,再经由数码调变转换成电磁波(类比讯号载着数码讯号),最后从天线传送出去,原理如图一所示。

  

  ▲图一:数码通讯示意图

  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的数码讯号呢?因此科学家发明了下列4种数码调变技术:

  振幅位移键送(ASK):利用电磁波的“振幅大小”载着数码讯号(0与1)传送出去,振幅小代表0,振幅大代表1,图二(a)所示。

  频率位移键送(FSK):利用电磁波的“频率高低”载着数码讯号(0与1)传送出去,频率低代表0,频率高代表1,图二(b)所示。

  相位位移键送(PSK):利用电磁波的“相位不同(波形不同)”载着数码讯号(0与1)传送出去,相位0°代表0,相位180°代表1,图二(c)所示。

  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)”载着数码讯号(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。

  

  ▲图二:数码讯号调变技术。(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。

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