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解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(下)

2020-08-05

解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(下)

在〈解析通讯技术(上)〉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,例如 2G 的 GSM900 系统使用频率範围 890~960MHz,则其他的无线通讯就不能再使用这个频率範围,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,而在这些複杂技术的背后,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 两种不同的数位讯号,这样才能利用天线传送到很远的地方(这里只谈数位调变技术,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。

解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(下)

图一:数位通讯示意图。

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的数位讯号呢?因此科学家发明了下列 4 种数位调变技术:

    振幅位移键送(ASK):利用电磁波的「振幅大小」载着数位讯号(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」载着数位讯号(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)」载着数位讯号(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)」载着数位讯号(0 与 1)传送出去,这个图形比较複杂有兴趣的人可以参考这里。
解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(下) 图二:数位讯号调变技术。(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。

数位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、更好的抗杂讯能力等,我们所使用手机 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、无线区域网路(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)等都是使用数位调变,显然数位通讯是发展的趋势。

传送端将数位讯号(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位讯号(0 与 1)称为「解调(Demodulation)」,所有的通讯装置一般都必须同时支援传送(调变)与接收(解调),因此科学家把负责调变与解调的元件称为「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元件啰!

多工技术(Multiplex)

多人共同使用一条资讯通道的方法称为「多工技术」(Multiplex),简单的说,天空只有一个,你的手机要丢电磁波出去,我的手机也要丢电磁波出去,两种电磁波在天空中混在一起,接收端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?

多工技术的目的就是让所有人使用,而且彼此不能互相干扰,为了增加资料传输率,可能必须同时使用两种以上的多工技术,才能满足每个人都要使用的需求。无线通讯常见的多工技术包括下列 4 种:

    分时多工接取(TDMA):使用者依照「时间先后」轮流使用一条资讯通道,如图三(a)所示,目前 2G 的 GSM / GPRS 系统有使用 TDMA。分频多工接取(FDMA):使用者依照「频率不同」同时使用一条资讯通道,如图三(b)所示,前面介绍每一对使用者必须使用「不同的频率範围」来通话,其实就是 FDMA,目前 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS 有使用 FDMA。分码多工接取(CDMA):将不同使用者的资料分别与特定的「密码(Code)」运算以后,再传送到资料通道,接收端以不同的密码来分辨要接收的讯号,如图三(c)所示。目前 3G 的 UMTS 有使用 CDMA。正交分频多工(OFDM):前面介绍过分频多工(FDMA)是使用者依照「频率不同」同时传送资料,而 OFDM 原理类似,唯一不同的是必须使用彼此「正交」的频率,这个原理比较複杂有兴趣的人可以参考这里,目前 4G 的 LTE / LTE-A、无线区域网路(IEEE802.11a/g/n)、数位电视(DTV)、数位音讯广播(DAB)有使用 OFDM。
解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(下) 图三:多工技术(Multiplex)。(a)TDMA:依照时间先后轮流使用;(b)FDMA:依照频率不同同时使用;(c)CDMA:将不同使用者的资料分别与特定的密码运算。多工技术的比喻

多工技术比较複杂,我们可以想像在房子里,甲与乙要讲话,丙与丁要讲话,戊与己要讲话:

4G 与 5G 的技术发展目的:增加频谱效率与频宽

「频谱效率」(Spectrum efficiency)是单位频宽(Hz)具有多少资料传输率(bps),可参考表 1 的说明,当单位频宽的资料传输率高,代表频谱效率高,例如:LTE 可以提供上传 2.5bps/Hz,下载 5bps/Hz;LTE-A 可以提供上传 5bps/Hz,下载 10bps/Hz,显然 LTE-A 的频谱效率比 LTE 高。因此 4G 与 5G 技术的发展只为了两个目的:

增加频谱效率

由于相同的频率只能使用一次,因此必须利用更新的调变与多工技术来增加频谱效率,让相同频宽的电磁波具有更高的资料传输率,也就是把更多的 0 和 1 塞进相同频宽的电磁波里来传送。

增加频宽

由于目前的电磁波频谱里 10GHz 以下的电磁波大部分都已经被用掉了,频谱效率再怎幺提高总有技术上的极限,因此科学家只能去挖更高频还没有被使用的电磁波来给 5G 手机用,大家现在明白为什幺 Samsung 的 5G 技术会想要使用频率 30GHz(相当于波长 10 毫米)的「毫米波(Millimeter Wave)」了吧!相关的新闻请参考这里。

表 1:数位通讯系统的频谱效率比较表

解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(下)注:表 1 中的频谱效率是直接以资料传输率除以通道频宽,但是不同世代的通讯系统使用不同的技术,这个并没有考虑进去,因此表中不同世代应该分开来比较才有意义。僧多粥少,无线通讯的使用执照与频谱分配

经由前面的介绍可以发现,无线通讯的频谱非常珍贵,僧多粥少,因此使用执照费也比较高。那幺是由谁来决定那一种系统使用那一个频率範围才不会重覆呢?国内的无线通讯频谱目前是由国家通讯传播委员会(NCC)管理,每一家系统业者(例如:中华电信、台湾大哥大、远传电信等)都必须先向 NCC 取得使用执照才能经营无线通讯业务,由于无线通讯的频谱非常珍贵,可以使用的频率範围有限,所以使用执照有限,通常会以公开招标的方式让出价最高的电信业者取得使用执照,这就是去年的「第四代(4G)行动宽频业务释照」。

不只如此,由于我们大家是共用同一个空间,如果无线通讯设备任意发出频率不正确的讯号会干扰到其他通讯设备,因此所有的无线通讯设备,包括我们使用的手机与无线区域网路(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)等产品都必须先进行测试合格才可以上市销售。

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