讓你一次看懂手機芯片的工作原理

2017-03-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在《解析通訊技術(shù)(上)》與《解析通訊技術(shù)(下)》中,我們了解到無線通訊的頻譜有限,分配非常嚴(yán)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(diào)變技術(shù)”(Modulation)與“多工技術(shù)”(Multiplex),來增加頻譜效率,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(zé)替我們處理這些技術(shù)的呢?

調(diào)變技術(shù)與多工技術(shù)

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

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

好啦,每個人的手機天線要傳送出去的數(shù)位訊號 0 與 1 都變成不同波形的電磁波了,問題又來了,這么多不同波形的電磁波丟到空中,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)(TDMA、FDMA、CDMA、OFDM):將電磁波區(qū)分給不同的使用者使用。TDMA 用時間先后來區(qū)分是你的還是我的,FDMA 用不同頻率來區(qū)分是你的還是我的,CDMA 用不同密碼(正交展頻碼)來區(qū)分是你的還是我的,OFDM 用不同正交子載波頻率來區(qū)分是你的還是我的。

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

數(shù)位調(diào)變技術(shù)(Digital modulation)

現(xiàn)在的手機是屬于“數(shù)位通訊”,也就是我們講話的聲音(連續(xù)的類比訊號),先由手機轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的0與1兩種數(shù)位訊號,再經(jīng)由數(shù)位調(diào)變轉(zhuǎn)換成電磁波(類比訊號載著數(shù)位訊號),最后從天線傳送出去,原理如圖一所示。

▲ 圖一:數(shù)位通訊示意圖。

數(shù)位通訊系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)位通訊系統(tǒng)的架構(gòu)如圖二(a)所示,使用者可能使用智慧型手機打電話進行語音通信或上網(wǎng)進行資料通信,我們分別說明如下:

▲ 圖二:通訊系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

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

接下來經(jīng)由“中頻晶片(IF)”也就是高頻數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換為高頻類比訊號(電磁波);最后再經(jīng)由“射頻晶片(RF)”形成不同時間、頻率、波形的電磁波由天線傳送出去。

語音下載(聽電話):天線將不同時間、頻率、波形的電磁波接收進來,經(jīng)由“射頻晶片(RF)”處理后得到高頻類比訊號(電磁波),再經(jīng)由“中頻晶片(IF)”也就是高頻類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)位訊號。

接下來經(jīng)由“基頻晶片(BB)”進行解調(diào)(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(fù)檢查碼(CRC)、資料解壓縮(Decoding)等數(shù)位訊號處理,最后再經(jīng)由低頻數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換為低頻類比訊號(聲音)由麥克風(fēng)播放出來。

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

注:通訊的原理就是一大堆的數(shù)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一步了解,但是往往走進教室第一堂課看到的就是一大堆復(fù)雜的數(shù)位:傅立葉轉(zhuǎn)換(Fourier Transform)、拉普拉斯轉(zhuǎn)換(Laplace Transform)、離散(Discrete),立刻就打退堂鼓,為了簡化復(fù)雜度讓大家容易看懂,上面對于數(shù)位通訊系統(tǒng)的介紹只是示意,與實際的情況會有落差,建議有興趣進一步了解的人可以立足于上面的概念,來進一步了解技術(shù)細節(jié)。

無線通訊系統(tǒng)架構(gòu)

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

▲ 圖三:無線通訊系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

基頻晶片(Baseband,BB):屬于數(shù)位積體電路,用來進行數(shù)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(diào)變/解調(diào),以及管理通訊協(xié)定、控制輸入輸出介面等運算工作,著名的行動電話基頻晶片供應(yīng)商包括:高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、邁威爾(Marvell)、聯(lián)發(fā)科(MediaTek)等。

調(diào)變器(Modulator):將基頻晶片處理的數(shù)位訊號轉(zhuǎn)換成高頻類比訊號(電磁波),才能傳送很遠,想要進一步了解通訊原理的人可以參考這里。

混頻器(Mixer):主要負責(zé)頻率轉(zhuǎn)換的工作,將調(diào)變后的高頻類比訊號(電磁波)轉(zhuǎn)換成所需要的頻率,來配合不同通訊系統(tǒng)的頻率范圍(無線頻譜)使用。

解調(diào)器(Demodulator):接收訊號時使用,將高頻類比訊號(電磁波)轉(zhuǎn)換成數(shù)位訊號,再傳送到基頻晶片(BB)進行數(shù)位訊號處理工作

所以手機上傳(講電話)的原理是:先由基頻晶片(BB)處理數(shù)位語音訊號,再經(jīng)由調(diào)變器(Modulator)轉(zhuǎn)換成高頻類比訊號,由混頻器(Mixer)轉(zhuǎn)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)傳送到天線輸出。

相反的,手機下載(聽電話)的原理是:先由天線傳送過來高頻類比訊號(電磁波),由傳送接收器(Rx)接收進來,再經(jīng)由帶通濾波器(BPF)得到特定頻率范圍(頻帶)的高頻類比訊號,由低雜訊放大器(LNA)將微弱的訊號放大,由混頻器(Mixer)轉(zhuǎn)換成所需要的頻率,由解調(diào)器(Demodulator)轉(zhuǎn)換成數(shù)位語音訊號,最后由基頻晶片(BB)處理數(shù)位語音訊號。