詹志强 / 上海市计量测试技术研究院

手机的3G、4G和5G（下）

詹志强 / 上海市计量测试技术研究院

6 调制方式

无线通信的频谱有限，分配非常严格，相同带宽的电磁波只能使用一次，例如2G的GSM900系统使用频率范围890～960 MHz，则其他无线通信就不能再使用这个频率范围，否则会互相干扰。各地无线电监测站的主要目的是监测划分的无线电频率的使用，并查找干扰的机构。

为了解决僧多粥少的难题，工程师们又研发出了许多技术来提高频谱的使用效率，这些技术包括TDMA、FDAM、CDMA、OFDM。为了简单解释这些技术，只要掌握两个基本概念就能了解整个通信技术的发展关键，这两个基本概念为调制技术（Modulation）与多址技术（Multiplex）。

其中调制技术是将模拟电磁波调制成不同的波形来代表0与1两种不同的数字信号，这样才能利用天线将信号传送到很远的地方（在这里只讨论数字调制技术，早期的AM、FM和PM模拟调制技术则不在这里讨论）。多址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，当每台手机都将电磁波发射至空中，该如何区分哪个电磁波是谁的呢？

6.1 数字调制（Digital modulation）

现在的手机属于数字通信范畴，人们讲话的声音（连续的模拟信号）先由手机转换成不连续的0与1两种数字信号，再经由数字调制至电磁波信号（模拟信号载着数字信号），最后从天线传送出去，原理如图4所示。

图4 数字通信示意图

电磁波是连续的能量，如何利用电磁波替人们传送这些0与1的数字信号呢？因此科学家发明了多种数字调制方式，但是在无线数字通信中，主要有下列四种数字调制技术。

6.1.1 幅移键控（ASK）

利用电磁波的振幅大小载着数字信号（0与1）传送出去，振幅小代表0，振幅大代表1，如图5（a）所示。

6.1.2 频移键控（FSK）

利用电磁波的频率高低载着数字信号（0与1）传送出去，频率低代表0，频率高代表1，如图5（b）所示。

6.1.3 相移键控（PSK）

利用电磁波的相位不同（波形不同）载着数字信号（0 与1）传送出去，相位0°代表0，相位180°代表1，如图5（c）所示。

图5 数字调制

其中的PSK是使用最多的调制方式，以PSK为基础衍生出BPSK、8PSK、QPSK、DQPSK、π/4-DQPSK等调制方式。

6.1.4 正交幅度调制（QAM）

同时利用电磁波的幅度大小与相位不同（波形不同）载着数字信号（0与1）传送出去。

数字调制技术的优点包括可以侦错与除错、压缩与解压缩、加密与解密以及具有更好的抗干扰能力等。人们所使用手机2G的GSM/GPRS、3G的UMTS、4G的LTE/LTE-A、无线局域网（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）等都是使用数字调制，显然数字通信是发展的趋势，而模拟通信已经淘汰。

传送端将数字信号（0 与1）转变成不同的电磁波波形称为调制（Modulation）；同理，接收端将不同的电磁波波形还原成数字信号（0与1）称为解调（Demodulation）。所有的通信设备一般都必须同时支持传送（调制）与接收（解调），因此科学家把负责调制与解调的元件称为调制解调器，英语中就把Modulation与Demodulation的字头组合成一个新单词Modem，俗称猫。

6.2 多址技术（Multiplex）

多人共同使用一条资讯通道的方法称为多址技术。简单地说，天空只有一个，你的手机要发送电磁波出去，我的手机也要发送电磁波出去，两种电磁波在天空中混在一起，接收端该如何区分哪些是你的（与你通话的），哪些是我的（与我通话的）呢？

多址技术的目的就是让所有人使用，而且彼此不能互相干扰。为了增加数据率，可能必须同时使用两种以上的多址技术，才能满足每个人都要使用的需求。无线通信常见的多址技术包括下列三种。

6.2.1 时分多址（TDMA）

时分多址技术依照时间先后原则轮流使用一条资讯通道，如图6所示。目前2G的GSM/GPRS系统就使用TDMA技术。

图6 TDMA信号传送示意图，依照时间先后轮流使用

6.2.2 频分多址（FDMA）

频分多址技术依照频率不同原则同时使用一条资讯通道，如图7所示。前面介绍每一对使用者必须使用不同的频率范围来通话，其实就是FDMA。目前2G的GSM/GPRS、3G均使用FDMA系统。

图7 FDMA信号传送示意图，依照频率不同同时使用

6.2.3 码分多址（CDMA）

码分多址技术将不同使用者的资料分别与特定的密码（Code）运算以后，各个密码之间是互相正交的，再传送到资料通道。接收端以不同的密码来分辨要接收的信号，不是自己所需要的码则不接受，如图8所示。目前3G使用CDMA系统。

图8 CDMA信号传送示意图，将不同使用者的资料分别与特定的密码运算

图9则示出了TDMA、FDMA、CDMA系统在无线通信中的示意图。

从图9（a）中可以看出，TDMA系统不是仅仅使用一个频率，也是使用多个频率的，但是在每个频率上，分为多个时隙，每个用户通信时仅仅使用一个时隙。

从图9（b）中可以看出，在工作时，FDMA系统每个用户一直使用一个频率进行通信。

图9 TDMA、FDMA、CDMA系统在无线通信中的示意图

从图9（c）中可以看出，在CDMA系统中，由于采用相互正交的码，在一定频率范围内，同一个时间段多个用户可以同时通信。

6.2.4 正交频分复用（OFDM）

在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽，就可以采用正交频分复用的方法，OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

OFDM技术的主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽。

目前来说，4G的LTE/LTE-A、无线区域网络（IEEE802.11a/g/n）、数字电视（DTV）、数字音讯广播（DAB）都使用OFDM技术。

6.3 多址技术的比喻

多址技术比较复杂，可以想象在房子里，甲与乙要讲话，丙与丁要讲话，戊与己要讲话。

6.3.1 时分多址（TDMA）

甲与乙先讲一句，再换丙与丁讲一句，再换戊与己讲一句，依此类推，大家轮流（分时）讲话，彼此就不会互相干扰。

6.3.2 频分多址（FDMA）

甲与乙在客厅讲话，丙与丁在书房讲话，戊与己在卧室讲话，大家在不同的房间（分频）讲话，彼此就不会互相干扰。

6.3.3 码分多址（CDMA）

甲与乙用中文讲话，丙与丁用英文讲话，戊与己用日文讲话，这样虽然大家在同一个房子里讲话，对话方仍然可以分辨出所使用的不同的语言。当甲与乙用中文讲话时，丙与丁的英文以及戊与己的日文只是声音干扰而己，不会造成甲与乙解读中文的困扰；同理，当丙与丁用英文讲话时，甲与乙的中文以及戊与己的日文只是声音干扰而己，不会造成丙与丁解读英文的困扰。在这个例子中，用不同的语言讲话就好像用不同的密码加密一样。

7 多模手机

随着用户数量的增加，单一的频率资源远远不能满足用户通话的需求，要求移动通信商开辟新的频段来扩大用户容量。而采用同一标准的网络在不同的地区也会出现这一情况。如中国和欧洲的GSM网络采用900 MHz和1 800 MHz两个频段，而美国GSM则使用1 900 MHz频段，因此只有同时支持这三个频段的手机才可以在中美之间漫游。多模手机是指可以在不同技术标准的网络（例如GSM和CDMA2000，GSM和WCDMA）之间使用的手机，这种手机可以支持多种不同的无线电信号处理方式。多模手机针对的问题较多频手机（指同一种制式，不同的频段，例如GSM就有850 MHz段、900 MHz段、 1 800 MHz段和1 900 MHz段）更为复杂。由于针对的是完全不同的网络，它们使用不同的频段，而且采用了不同的通信编码方式，这要求手机提供这两种模式的发射、接收和处理信号系统，其开发难度比多频手机要大得多。

由于中国的通信领域有移动、联通和电信三大运营商，而三大运营商的网络模式不尽相同。那个单卡双模和单卡多模中的“模”就是网络模式。因此单卡双模是指一个卡槽可以支持两种不同的运营商的网络，而多模则更为强大，能支持更多运营商的移动通信网络。

8 手机SIM卡的目的和用处

SIM卡是Subscriber Identity Model（客户识别模块）的缩写，也称为智能卡、用户身份识别卡。手机必须装上此卡方能使用。

SIM卡在一电脑芯片上存储了数字移动电话客户的信息和加密的密钥等内容，可供网络对客户身份进行鉴别，完全防止了并机和通话被窃听行为，并且SIM卡的制作是严格按照各种国际标准和规范来完成的，从而可靠地保障了客户的正常通信。SIM卡在数字移动通信的系统中使用，使卡和手机分离，SIM卡唯一标识一个客户。一张SIM卡可以插入任何一部与其制式一致的手机中使用，而使用手机所产生的通信费、上网费等则记录在该SIM卡所唯一标识的客户帐上。

手机SIM卡按照大小可以分为普通卡、Micro卡和Nano卡。在尺寸方面，普通卡最大，Nano卡最小。

手机SIM卡的容量有差别，早期的SIM卡是8 kb卡，只能存储很少的数据，现在的SIM卡的容量已经是64 kb。SIM卡容量有8 kb、16 kb、32 kb、64 kb，其中16 kb以上的大容量SIM卡统称为多功能STK卡。

9 4G与5G的技术发展目的——增加频谱效率与带宽

频谱效率（Spectrum efficiency）是单位带宽（Hz）具有多少数据率（bit/s），可参考表1的说明。单位带宽的数据率高代表频谱效率高。例如，LTE可以提供上传2.5 bit/s/Hz，下载5 bit/s/Hz；LTE-A可以提供上传5 bit/s/Hz，下载10 bit/s/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——增加频谱效率和增加带宽。

表1 无线数字通信系统的频谱效率

9.1 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制与多址技术来增加频谱效率，让相同带宽的电磁波具有更高的数据率，也就是把更多的0 和1塞进相同带宽的电磁波里来传送。

9.2 增加带宽

由于目前的电磁波频谱里10 GHz以下的电磁波大部分都已经被使用，频谱效率再怎么提高总有技术上的极限，因此科学家只能去发掘更高频还没有被使用的电磁波来给5G手机用。现在大家明白了为什么5G技术会想要使用频率30 GHz（相当于波长10 mm）的毫米波（Millimeter Wave）了吧。表1给出了无线数字通信系统的频谱效率。

10 无线通信的牌照与频谱分配和产品论证

无线通信的频谱非常珍贵，僧多粥少，因此使用牌照费也比较高。那么由谁来决定哪一种系统使用哪一个频率范围才不至于重覆呢？国内的无线通信牌照是由中华人民共和国工业和信息化部许可发放，每一家无线通信运营商（例如中国电信、中国联通、中国移动）都必须先取得使用牌照才能经营无线通信业务。发放牌照同时也就给出了频谱范围以及制式。中国移动拥有TDD制式4G牌照，中国联通和中国电信拥有TDD和FDD制式4G牌照。

11 无线产品论证

由于大家共用同一个空间，如果无线通信设备任意发出频率不正确的信号会干扰到其他通信设备，因此所有的无线通信设备，包括人们使用的手机与无线局域网络（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）等产品都必须先进行论证才可上市销售。因此，在国内入网使用的无线通信产品需要进行三项论证：无线电管理委员会进行的干扰论证，运营商负责的入网论证和3C论证。

（完）