解析通訊技術(shù)：3G、4G、5G背后的科學(xué)意義（下）在〈解析通訊技術(shù)（上）〉中，我們了解到無線通訊的頻譜有限，分配非常嚴格，相同頻寬的電磁波只能使用一次，例如2G的GSM900系統(tǒng)使用頻率范圍890~960MHz，則其他的無線通訊就不能再使用這個頻率范圍，否則會互相干擾。為了解決僧多粥少的難題，工程師研發(fā)出許多技術(shù)，來擴增頻譜的使用率，例如TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在這些復(fù)雜技術(shù)的背后，只要能掌握兩個基本概念，就能了解整個通訊技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵。這兩個基本概念為“調(diào)變技術(shù)”（Modulation）與“多工技術(shù)”（Multiplex）。其中調(diào)變技術(shù)是將模擬電磁波調(diào)變成不同的波形，來代表0與1兩種不同的數(shù)碼信號，這樣才能利用天線傳送到很遠的地方（這里只談數(shù)碼調(diào)變技術(shù)，不討論早期的AM、FM這種模擬調(diào)變技術(shù)）。多工技術(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，當每支手機都把電磁波丟到空中，該如何區(qū)分那個電磁波是誰的呢？數(shù)碼調(diào)變技術(shù)（Digitalmodulation）現(xiàn)在的手機是屬于“數(shù)碼通訊”，也就是我們講話的聲音（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)碼信號，再經(jīng)由數(shù)碼調(diào)變轉(zhuǎn)換成電磁波（模擬信號載著數(shù)碼信號），最后從天線傳送出去，原理如圖一所示。▲圖一：數(shù)碼通訊示意圖。（Source：thenounproject）電磁波是連續(xù)的能量，如何利用電磁波替我們傳送這些0與1的數(shù)碼信號呢？因此科學(xué)家發(fā)明了下列4種數(shù)碼調(diào)變技術(shù)：振幅位移鍵送（ASK）：利用電磁波的“振幅大小”載著數(shù)碼信號（0與1）傳送出去，振幅小代表0，振幅大代表1，圖二（a）所示。頻率位移鍵送（FSK）：利用電磁波的“頻率高低”載著數(shù)碼信號（0與1）傳送出去，頻率低代表0，頻率高代表1，圖二（b）所示。相位位移鍵送（PSK）：利用電磁波的“相位不同（波形不同）”載著數(shù)碼信號（0與1）傳送出去，相位0°代表0，相位180°代表1，圖二（c）所示。正交振幅調(diào)變（QAM）：同時利用電磁波的“振幅大小”與“相位不同（波形不同）”載著數(shù)碼信號（0與1）傳送出去，這個圖形比較復(fù)雜有興趣的人可以參考這里?！鴪D二：數(shù)碼信號調(diào)變技術(shù)。（a）ASK：振幅小代表0，振幅大代表1；（b）FSK：頻率低代表0，頻率高代表1；（c）PSK：相位0°代表0，相位180°代表1。數(shù)碼調(diào)變技術(shù)的優(yōu)點包括可以偵錯與除錯、可以壓縮與解壓縮、可以加密與解密、更好的抗雜訊能力等，我們所使用手機2G的GSM/GPRS、3G的UMTS、4G的LTE/LTE-A、無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）、藍牙（Bluetooth）等都是使用數(shù)碼調(diào)變，顯然數(shù)碼通訊是發(fā)展的趨勢。傳送端將數(shù)碼信號（0與1）轉(zhuǎn)變成不同的電磁波波形稱為“調(diào)變（Modulation）”；同理，接收端將不同的電磁波波形還原成數(shù)碼信號（0與1）稱為“解調(diào)（Demodulation）”，所有的通訊設(shè)備一般都必須同時支持傳送（調(diào)變）與接收（解調(diào)），因此科學(xué)家把負責(zé)調(diào)變與解調(diào)的元件稱為“調(diào)變解調(diào)器”，英文就把“Modulation”與“Demodulation”的字頭組合成一個新單字“Modem”，下回只要聽到Modem就知道它是在做通訊用的元件啰！多工技術(shù)（Multiplex）多人共同使用一條資訊通道的方法稱為“多工技術(shù)”（Multiplex），簡單的說，天空只有一個，你的手機要丟電磁波出去，我的手機也要丟電磁波出去，兩種電磁波在天空中混在一起，接收端該如何區(qū)分那些是你的（和你通話的），那些是我的（和我通話的）呢？多工技術(shù)的目的就是讓所有人使用，而且彼此不能互相干擾，為了增加資料傳輸率，可能必須同時使用兩種以上的多工技術(shù)，才能滿足每個人都要使用的需求。無線通訊常見的多工技術(shù)包括下列4種：分時多工接取（TDMA）：使用者依照“時間先后”輪流使用一條資訊通道，如圖三（a）所示，目前2G的GSM/GPRS系統(tǒng)有使用TDMA。分頻多工接取（FDMA）：使用者依照“頻率不同”同時使用一條資訊通道，如圖三（b）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的UMTS有使用FDMA。分碼多工接取（CDMA）：將不同使用者的資料分別與特定的“密碼（Code）”運算以后，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，如圖三（c）所示。目前3G的UMTS有使用CDMA。正交分頻多工（OFDM）：前面介紹過分頻多工（FDMA）是使用者依照“頻率不同”同時傳送資料，而OFDM原理類似，唯一不同的是必須使用彼此“正交”的頻率，這個原理比較復(fù)雜有興趣的人可以參考這里，目前4G的LTE/LTE-A、無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（IEEE802.11a/g/n）、數(shù)碼電視（DTV）、數(shù)碼音訊廣播（DAB）有使用OFDM?！鴪D三：多工技術(shù)（Multiplex）。（a）TDMA：依照時間先后輪流使用；（b）FDMA：依照頻率不同同時使用；（c）CDMA：將不同使用者的資料分別與特定的密碼運算。多工技術(shù)的比喻多工技術(shù)比較復(fù)雜，我們可以想像在房子里，甲與乙要講話，丙與丁要講話，戊與己要講話：分時多工接?。═DMA）：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。分頻多工接?。‵DMA）：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。分碼多工接?。–DMA）：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，各自仍然可以分辨出各自不同的語言，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，在這個例子里“用不同的語言講話”就好像“用不同的密碼加密”一樣。4G與5G的技術(shù)發(fā)展目的：增加頻譜效率與頻寬“頻譜效率”（Spectrumefficiency）是單位頻寬（Hz）具有多少資料傳輸率（bps），可參考表1的說明，當單位頻寬的資料傳輸率高，代表頻譜效率高，例如：LTE可以提供上傳2.5bps/Hz，下載5bps/Hz；LTE-A可以提供上傳5bps/Hz，下載10bps/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：增加頻譜效率由于相同的頻率只能使用一次，因此必須利用更新的調(diào)變與多工技術(shù)來增加頻譜效率，讓相同頻寬的電磁波具有更高的資料傳輸率，也就是把更多的0和1塞進相同頻寬的電磁波里來傳送。增加頻寬由于目前的電磁波頻譜里10GHz以下的電磁波大部分都已經(jīng)被用掉了，頻譜效率再怎么提高總有技術(shù)上的極限，因此科學(xué)家只能去挖更高頻還沒有被使用的電磁波來給5G手機用，大家現(xiàn)在明白為什么Samsung的5G技術(shù)會想要使用頻率30GHz（相當于波長10毫米）的“毫米波（MillimeterWave）”了吧！相關(guān)的新聞?wù)垍⒖歼@里。表1：數(shù)碼通訊系統(tǒng)的頻譜效率比較表注：表1中的頻譜效率是直接以資料傳輸率除以通道頻寬，但是不同世代的通訊系統(tǒng)使用不同的技術(shù)，這個并沒有考慮進去，因此表中不同世代應(yīng)該分開來比較才有意義。僧多粥少，無線通訊的使用執(zhí)照與頻譜分配經(jīng)由前面的介紹可以發(fā)現(xiàn)，無線通訊的頻譜非常珍貴，僧多粥少，因此使用執(zhí)照費也比較高。那么是由誰來決定那一種系統(tǒng)使用那一個頻率范圍才不會重覆呢？國內(nèi)的無線通訊頻譜目前是由國家通訊傳播委員會（NCC）管理，每一家系統(tǒng)業(yè)者（例如：中華電信、臺灣大哥大、遠傳電信等）都必須先向NCC取得使用執(zhí)照才能經(jīng)營無線通訊業(yè)務(wù)，由于無線通訊的頻譜非常珍貴，可以使用的頻率范圍有限，所以使用執(zhí)照有