讓你一次看懂手機芯片

　　在《解析通訊技術(shù)(上)》與《解析通訊技術(shù)(下)》中，我們了解到無(wú)線(xiàn)通訊的頻譜有限，分配非常嚴格，相同頻寬的電磁波只能使用一次，為了解決僧多粥少的難題，工程師研發(fā)出許多“調變技術(shù)”(Modulation)與“多工技術(shù)”(Multiplex)，來(lái)增加頻譜效率，因此才有了 3G、4G、5G 不同通訊世代技術(shù)的發(fā)明，那么在我們的手機里，是什么元件負責替我們處理這些技術(shù)的呢?

　　調變技術(shù)與多工技術(shù)

　　首先我們要了解“調變技術(shù)(Modulation)”與“多工技術(shù)(Multiplex)”是完全不一樣的東西，讓我們先來(lái)看看它們到底有什么不同?

　　數位訊號調變技術(shù)(ASK、FSK、PSK、QAM)：將類(lèi)比的電磁波調變成不同的波形來(lái)代表 0 與 1 兩種不同的數位訊號。ASK 用振幅大小來(lái)代表 0 與 1、FSK 用頻率大小來(lái)代表 0 與 1、PSK 用相位(波形)不同來(lái)代表 0 與 1、QAM 同時(shí)使用振幅大小與相位(波形)不同來(lái)代表 0 與 1。

　　好啦，每個(gè)人的手機天線(xiàn)要傳送出去的數位訊號 0 與 1 都變成不同波形的電磁波了，問(wèn)題又來(lái)了，這么多不同波形的電磁波丟到空中，該如何區分那些是你的(和你通話(huà)的)，那些是我的(和我通話(huà)的)呢?

　　多工技術(shù)(TDMA、FDMA、CDMA、OFDM)：將電磁波區分給不同的使用者使用。TDMA 用時(shí)間先后來(lái)區分是你的還是我的，FDMA 用不同頻率來(lái)區分是你的還是我的，CDMA 用不同密碼(正交展頻碼)來(lái)區分是你的還是我的，OFDM 用不同正交子載波頻率來(lái)區分是你的還是我的。

　　值得注意的是，不論數位訊號調變技術(shù)或多工技術(shù)，都是在數位訊號(0 與 1)進(jìn)行運算與處理的時(shí)候就一起進(jìn)行，一般是先進(jìn)行多工技術(shù)再進(jìn)行數位訊號調變技術(shù)(OFDM 除外)，所以多工技術(shù)與調變技術(shù)必定是同時(shí)使用。

　　數位調變技術(shù)(Digital modulation)

　　現在的手機是屬于“數位通訊”，也就是我們講話(huà)的聲音(連續的類(lèi)比訊號)，先由手機轉換成不連續的0與1兩種數位訊號，再經(jīng)由數位調變轉換成電磁波(類(lèi)比訊號載著(zhù)數位訊號)，最后從天線(xiàn)傳送出去，原理如圖一所示。

　　▲ 圖一：數位通訊示意圖。(Source：the Noun Project)

　　數位通訊系統架構

　　數位通訊系統的架構如圖二(a)所示，使用者可能使用智慧型手機打電話(huà)進(jìn)行語(yǔ)音通信或上網(wǎng)進(jìn)行資料通信，我們分別說(shuō)明如下：

　　▲ 圖二：通訊系統架構示意圖。

　　語(yǔ)音上傳(講電話(huà))：聲音由麥克風(fēng)接收以后為低頻類(lèi)比訊號，經(jīng)由低頻類(lèi)比數位轉換器(ADC)轉換為數位訊號，經(jīng)由“基頻晶片(BB)”進(jìn)行資料壓縮(Encoding)、加循環(huán)式重復檢查碼(CRC)、頻道編碼(Channel coding)、交錯置(Inter-leaving)、加密(Ciphering)、格式化(Formatting)，再進(jìn)行多工(Multiplexing)、調變(Modulation)等數位訊號處理，如圖二(b)所示。

　　接下來(lái)經(jīng)由“中頻晶片(IF)”也就是高頻數位類(lèi)比轉換器(DAC)轉換為高頻類(lèi)比訊號(電磁波);最后再經(jīng)由“射頻晶片(RF)”形成不同時(shí)間、頻率、波形的電磁波由天線(xiàn)傳送出去。

　　語(yǔ)音下載(聽(tīng)電話(huà))：天線(xiàn)將不同時(shí)間、頻率、波形的電磁波接收進(jìn)來(lái)，經(jīng)由“射頻晶片(RF)”處理后得到高頻類(lèi)比訊號(電磁波)，再經(jīng)由“中頻晶片(IF)”也就是高頻類(lèi)比數位轉換器(ADC)轉換為數位訊號。

　　接下來(lái)經(jīng)由“基頻晶片(BB)”進(jìn)行解調(De-modulation)、解多工(De-multiplexing)、解格式化(De-formatting)、解密(De-ciphering)、解交錯置(De-inter-leaving)、頻道解碼(Channel decoding)、解循環(huán)式重復檢查碼(CRC)、資料解壓縮(Decoding)等數位訊號處理，最后再經(jīng)由低頻數位類(lèi)比轉換器(DAC)轉換為低頻類(lèi)比訊號(聲音)由麥克風(fēng)播放出來(lái)。

　　資料通信(上網(wǎng))：基本上資料通信不論上傳或下載都是數位訊號，所以直接進(jìn)入基頻晶片(BB)處理即可，其他流程與語(yǔ)音通信類(lèi)似，在此不再重復描述。

　　注：通訊的原理就是一大堆的數學(xué)，由于手機是我們天天都在用的東西，一般人對通訊感多感少都有些好奇想要進(jìn)一步了解，但是往往走進(jìn)教室第一堂課看到的就是一大堆復雜的數位：傅立葉轉換(Fourier Transform)、拉普拉斯轉換(Laplace Transform)、離散(Discrete)，立刻就打退堂鼓，為了簡(jiǎn)化復雜度讓大家容易看懂，上面對于數位通訊系統的介紹只是示意，與實(shí)際的情況會(huì )有落差，建議有興趣進(jìn)一步了解的人可以立足于上面的概念，來(lái)進(jìn)一步了解技術(shù)細節。

　　無(wú)線(xiàn)通訊系統架構

　　基于前面的介紹，我們來(lái)看看智慧型手機里幾個(gè)重要的積體電路(IC)，主要包括：基頻(BB)、中頻(IF)、射頻(RF)三個(gè)部份，如圖三所示，每個(gè)部分都可能有一個(gè)到數個(gè)積體電路(IC)，也有可能是把數個(gè)積體電路(IC)封裝成一個(gè)，稱(chēng)為“系統單封裝(System in a Package，SiP)”，或把數個(gè)晶片整合成一個(gè)，稱(chēng)為“系統單晶片(System on a Chip，SoC)”。

　　▲ 圖三：無(wú)線(xiàn)通訊系統架構示意圖。

　　基頻晶片(Baseband，BB)：屬于數位積體電路，用來(lái)進(jìn)行數位訊號的壓縮/解壓縮、頻道編碼/解碼、交錯置/解交錯置、加密/解密、格式化/解格式化、多工/解多工、調變/解調，以及管理通訊協(xié)定、控制輸入輸出介面等運算工作，著(zhù)名的行動(dòng)電話(huà)基頻晶片供應商包括：高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、邁威爾(Marvell)、聯(lián)發(fā)科(MediaTek)等。

　　調變器(Modulator)：將基頻晶片處理的數位訊號轉換成高頻類(lèi)比訊號(電磁波)，才能傳送很遠，想要進(jìn)一步了解通訊原理的人可以參考這里。

　　混頻器(Mixer)：主要負責頻率轉換的工作，將調變后的高頻類(lèi)比訊號(電磁波)轉換成所需要的頻率，來(lái)配合不同通訊系統的頻率范圍(無(wú)線(xiàn)頻譜)使用。

　　合成器(Synthesizer)：提供無(wú)線(xiàn)通訊電磁波與射頻積體電路(RF IC)所需要的工作頻率，通常經(jīng)由“相位鎖定回路(PLL：Phase Locked Loop)”與“電壓控制振蕩器(VCO：Voltage Controlled Oscillator)”來(lái)提供精準的工作頻率。

　　帶通濾波器(Band Pass Filter，BPF)：只讓特定頻率范圍(頻帶)的高頻類(lèi)比訊號(電磁波)通過(guò)，將不需要的頻率范圍濾除，得到我們需要的頻率范圍(頻帶)。

　　功率放大器(Power Amplifier，PA)：高頻類(lèi)比訊號(電磁波)傳送出去之前，必須先經(jīng)由功率放大器(PA)放大，增強訊號才能傳送到夠遠的地方。

　　傳送接收器(Transceiver)：負責傳送(Tx：Transmitter)高頻類(lèi)比訊號(電磁波)到天線(xiàn)，或是由天線(xiàn)接收(Rx：Receiver)高頻類(lèi)比訊號(電磁波)進(jìn)來(lái)。

　　低雜訊放大器(Low Noise Amplifier，LNA)：接收訊號時(shí)使用，天線(xiàn)接收進(jìn)來(lái)的高頻類(lèi)比訊號(電磁波)很微弱，必須先經(jīng)由低雜訊放大器(LNA)放大訊號，才能進(jìn)行處理。

　　解調器(Demodulator)：接收訊號時(shí)使用，將高頻類(lèi)比訊號(電磁波)轉換成數位訊號，再傳送到基頻晶片(BB)進(jìn)行數位訊號處理工作

　　所以手機上傳(講電話(huà))的原理是：先由基頻晶片(BB)處理數位語(yǔ)音訊號，再經(jīng)由調變器(Modulator)轉換成高頻類(lèi)比訊號，由混頻器(Mixer)轉換成所需要的頻率，由帶通濾波器(BPF)得到特定頻率范圍(頻帶)的高頻類(lèi)比訊號(電磁波)，由功率放大器(PA)增強訊號，最后由傳送接收器(Tx)傳送到天線(xiàn)輸出。

　　相反的，手機下載(聽(tīng)電話(huà))的原理是：先由天線(xiàn)傳送過(guò)來(lái)高頻類(lèi)比訊號(電磁波)，由傳送接收器(Rx)接收進(jìn)來(lái)，再經(jīng)由帶通濾波器(BPF)得到特定頻率范圍(頻帶)的高頻類(lèi)比訊號，由低雜訊放大器(LNA)將微弱的訊號放大，由混頻器(Mixer)轉換成所需要的頻率，由解調器(Demodulator)轉換成數位語(yǔ)音訊號，最后由基頻晶片(BB)處理數位語(yǔ)音訊號。

　　通訊相關(guān)積體電路：基頻、中頻、射頻

　　前面介紹的無(wú)線(xiàn)通訊系統后端(Back end)使用基頻晶片來(lái)處理數位訊號，前端(Front end)則所使用的積體電路(IC)大致上可以分為“射頻晶片”與“中頻晶片”兩大類(lèi)，分別使用不同材料的晶圓制作：

　　中頻晶片(Intermediate Frequency，IF)：又稱(chēng)為“類(lèi)比基頻(Analog baseband)”，概念上就是“高頻數位類(lèi)比轉換器(DAC)”與“高頻類(lèi)比數位轉換器(ADC)”，包括：調變器(Modulator)、解調器(Demodulator)，通常還有中頻放大器(IF amplifier)與中頻帶通濾波器(IF BPF)等，通常由矽晶圓制作的 CMOS 元件組成，可能是數個(gè)積體電路，其些可能整合成一個(gè)積體電路(IC)。

　　射頻晶片(Radio Frequency，RF)：又稱(chēng)為“射頻積體電路(RFIC)”，是處理高頻無(wú)線(xiàn)訊號所有晶片的總稱(chēng)，通常包括：傳送接收器(Transceiver)、低雜訊放大器(LNA)、功率放大器(PA)、帶通濾波器(BPF)、合成器(Synthesizer)、混頻器(Mixer)等，通常由砷化鎵晶圓制作的 MESFET、HEMT 元件，或矽鍺晶圓制作的 BiCMOS 元件，或矽晶圓制作的 CMOS 元件組成，目前也有用氮化鎵(GaN)制作的功率放大器，可能是數個(gè)積體電路，某些可能整合成一個(gè)積體電路(IC)。