解析通訊技術：3G、4G、5G 背後的科學意義（下）

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解析通訊技術：3G、4G、5G 背後的科學意義（下）
作者 曲 建仲 | 發布日期 2015 年 10 月 12 日 17:00 | 分類 手機 , 科技教育 , 精選 follow us in feedly  



在〈解析通訊技術（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 系統使用頻率範圍 890~960MHz，則其他的無線通訊就不能再使用這個頻率範圍，否則會互相干擾。為了解決僧多粥少的難題，工程師研發出許多技術，來擴增頻譜的使用率，例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在這些複雜技術的背後，只要能掌握兩個基本概念，就能瞭解整個通訊技術的發展關鍵。




這兩個基本概念為「調變技術」（Modulation）與「多工技術」（Multiplex）。其中調變技術是將類比電磁波調變成不同的波形，來代表 0 與 1 兩種不同的數位訊號，這樣才能利用天線傳送到很遠的地方（這裡只談數位調變技術，不討論早期的 AM、FM 這種類比調變技術）。多工技術則是將電磁波區分給不同的使用者使用，由於手機必須設計給所有的人使用，當每支手機都把電磁波丟到空中，該如何區分那個電磁波是誰的呢？



數位調變技術（Digital modulation）
現在的手機是屬於「數位通訊」，也就是我們講話的聲音（連續的類比訊號），先由手機轉換成不連續的 0 與 1 兩種數位訊號，再經由數位調變轉換成電磁波（類比訊號載著數位訊號），最後從天線傳送出去，原理如圖一所示。

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▲ 圖一：數位通訊示意圖。（Source：the noun project）
電磁波是連續的能量，如何利用電磁波替我們傳送這些0與1的數位訊號呢？因此科學家發明了下列 4 種數位調變技術：

振幅位移鍵送（ASK）：利用電磁波的「振幅大小」載著數位訊號（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」載著數位訊號（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）」載著數位訊號（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）」載著數位訊號（0 與 1）傳送出去，這個圖形比較複雜有興趣的人可以參考這裡。
曲老師
▲ 圖二：數位訊號調變技術。（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。
數位調變技術的優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、無線區域網路（Wi-Fi）、藍牙（Bluetooth）等都是使用數位調變，顯然數位通訊是發展的趨勢。

傳送端將數位訊號（0 與 1）轉變成不同的電磁波波形稱為「調變（Modulation）」；同理，接收端將不同的電磁波波形還原成數位訊號（0 與 1）稱為「解調（Demodulation）」，所有的通訊裝置一般都必須同時支援傳送（調變）與接收（解調），因此科學家把負責調變與解調的元件稱為「調變解調器」，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囉！



多工技術（Multiplex）
多人共同使用一條資訊通道的方法稱為「多工技術」（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，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包括下列 4 種：

分時多工接取（TDMA）：使用者依照「時間先後」輪流使用一條資訊通道，如圖三（a）所示，目前 2G 的 GSM / GPRS 系統有使用 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「不同的頻率範圍」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）」運算以後，再傳送到資料通道，接收端以不同的密碼來分辨要接收的訊號，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，這個原理比較複雜有興趣的人可以參考這裡，目前 4G 的 LTE / LTE-A、無線區域網路（IEEE802.11a/g/n）、數位電視（DTV）、數位音訊廣播（DAB）有使用 OFDM。
曲老師
▲ 圖三：多工技術（Multiplex）。（a）TDMA：依照時間先後輪流使用；（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。
多工技術的比喻
多工技術比較複雜，我們可以想像在房子裡，甲與乙要講話，丙與丁要講話，戊與己要講話：

分時多工接取（TDMA）：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。
分頻多工接取（FDMA）：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。
分碼多工接取（CDMA）：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裡講話，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，在這個例子裡「用不同的語言講話」就好像「用不同的密碼加密」一樣。


4G 與 5G 的技術發展目的：增加頻譜效率與頻寬
「頻譜效率」（Spectrum efficiency）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 技術的發展只為了兩個目的：

增加頻譜效率

由於相同的頻率只能使用一次，因此必須利用更新的調變與多工技術來增加頻譜效率，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裡來傳送。

增加頻寬

由於目前的電磁波頻譜裡 10GHz 以下的電磁波大部分都已經被用掉了，頻譜效率再怎麼提高總有技術上的極限，因此科學家只能去挖更高頻還沒有被使用的電磁波來給 5G 手機用，大家現在明白為什麼 Samsung 的 5G 技術會想要使用頻率 30GHz（相當於波長 10 毫米）的「毫米波（Millimeter Wave）」了吧！相關的新聞請參考這裡。

表 1：數位通訊系統的頻譜效率比較表

曲老師
註：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使用不同的技術，這個並沒有考慮進去，因此表中不同世代應該分開來比較才有意義。


僧多粥少，無線通訊的使用執照與頻譜分配
經由前面的介紹可以發現，無線通訊的頻譜非常珍貴，僧多粥少，因此使用執照費也比較高。那麼是由誰來決定那一種系統使用那一個頻率範圍才不會重覆呢？國內的無線通訊頻譜目前是由國家通訊傳播委員會（NCC）管理，每一家系統業者（例如：中華電信、台灣大哥大、遠傳電信等）都必須先向 NCC 取得使用執照才能經營無線通訊業務，由於無線通訊的頻譜非常珍貴，可以使用的頻率範圍有限，所以使用執照有限，通常會以公開招標的方式讓出價最高的電信業者取得使用執照，這就是去年的「第四代（4G）行動寬頻業務釋照」。

不只如此，由於我們大家是共用同一個空間，如果無線通訊設備任意發出頻率不正確的訊號會干擾到其他通訊設備，因此所有的無線通訊設備，包括我們使用的手機與無線區域網路（Wi-Fi）、藍牙（Bluetooth）等產品都必須先進行測試合格才可以上市銷售。