智能手機的問(wèn)世除了帶動(dòng)移動(dòng)世代的崛起，更加速通信技術(shù)的革新，在幾年間，數據傳輸率的增加讓用戶(hù)享受高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )新體驗，3G、4G、5G 的議題熱度也始終居高不下。但是一般人對 4G 乃至于 5G 的認知，就是手機上網(wǎng)的速度更快，并不了解背后的科學(xué)含意，本文將從不同通信時(shí)代的角度切入，一步步帶領(lǐng)讀者認識這些技術(shù)背后的原理，到底什么是電磁波？什么是帶寬？不同世代的差別又在哪里？
移動(dòng)電話(huà)的世代
我們常常聽(tīng)到廣告說(shuō)：4G LTE，其中 G 代表「代（Generation）」，4G 代表第四代，是為了與之前的第二代（2G）、第三代（3G）移動(dòng)電話(huà)做出區隔，我們以目前全球市占率最高的歐洲系統來(lái)說(shuō)明：
第二代移動(dòng)電話(huà)（2G）：GSM 系統只支持線(xiàn)路交換（注）的語(yǔ)音信道，主要通過(guò)語(yǔ)音信道打電話(huà)與傳送短信，GPRS 系統支持分組交換因此可以上網(wǎng)，但是由于利用語(yǔ)音信道傳送數據封包，因此上網(wǎng)的速度很慢。
第三代移動(dòng)電話(huà)（3G）：UMTS 系統支持分組交換（注），可以用更快的速度上網(wǎng)，由于 3G 的手機同時(shí)支持 2G ，因此當我們使用 3G 的手機講電話(huà)或發(fā)短信時(shí)，其實(shí)是使用 GSM 系統的語(yǔ)音信道來(lái)完成。
第四代移動(dòng)電話(huà)（4G）：LTE / LTE-A 系統支持分組交換，可以用更快的速度上網(wǎng)，由于 4G 的手機大多同時(shí)支持 3G 與 2G，因此在手機找不到 LTE 基站時(shí)仍然會(huì )以 UMTS 基站上網(wǎng)，講電話(huà)或發(fā)短信時(shí)仍然是使用 GSM 系統的語(yǔ)音信道來(lái)完成。
其實(shí) 4G 使用的 LTE 系統由于數據傳輸率很高，可以直接將語(yǔ)音數據切割成封包來(lái)傳送，原理就和 Skype 網(wǎng)絡(luò )電話(huà)一樣，可以讓音質(zhì)更好，但是分組交換通常費用是以數據傳輸率來(lái)計算，等于使用者講再久費用都一樣，對電信公司來(lái)說(shuō)如何收到更多錢(qián)是個(gè)問(wèn)題；反觀(guān)線(xiàn)路交換是計時(shí)收費，電信公司能夠賺到更多錢(qián)，因此目前大部份電信公司的 4G LTE 提供講電話(huà)或發(fā)短信時(shí)，仍然是使用 GSM 系統的語(yǔ)音信道來(lái)完成。
帶寬的科學(xué)含義
一般人對通信世代的認知就是越后面的世代表示帶寬（Bandwidth）越寬，帶寬就好像高速公路，帶寬越寬就好像高速公路越寬（車(chē)道越多），代表行車(chē)速度越快，也就是通信時(shí)數據傳輸率越高；再講簡(jiǎn)單一點(diǎn)，就是手機上網(wǎng)的速度更快，這樣的觀(guān)念是對的，但是這種認知是不科學(xué)的，要解釋帶寬，我們需要從電磁波說(shuō)起。
無(wú)線(xiàn)通信傳遞媒介：電磁波
電磁波（Electromagnetic wave）是由互相垂直的「電場(chǎng)（Electric field）」與「磁場(chǎng)（Magnetic field）」交互作用而產(chǎn)生的一種「能量（Energy）」，這種能量在前進(jìn)的時(shí)候就像水波一樣會(huì )依照一定的頻率不停地振動(dòng)，如圖1（a）所示。電磁波每秒鐘振動(dòng)的次數是「頻率（Frequency） 」，單位為「赫茲（Hz）」，假設某一個(gè)電磁波一秒鐘振動(dòng) 2 次，則頻率為 2Hz，如圖1（b）所示；一秒鐘振動(dòng) 4 次，則頻率為 4Hz，如圖1（c）所示，例如：無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )（Wi-Fi）與藍牙（Bluetooth）的通訊頻率為 2.4GHz，意思就是它使用的電磁波每秒鐘振動(dòng) 24 億次（在這里 G 的意思是 Giga，也就是 Billion，代表 10 億，不是前面 3G、4G、5G 的那個(gè) G）。
（a）電磁波是由彼此互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)交互作用而產(chǎn)生的能量；
（b）每秒鐘振動(dòng) 2 次則頻率為2Hz；
（c）每秒鐘振動(dòng) 4 次則頻率為4Hz。
宇宙里自然存在的所有電磁波如圖2（a）所示，我們稱(chēng)為「電磁波頻譜（Spectrum） 」，由圖中可以看出中間的部分是光（Light），包括：紅外光（Infrared，IR）、可見(jiàn)光（人類(lèi)肉眼可以看見(jiàn)的光）、紫外光（Ultraviolet，UV），因此光是一種電磁波；右邊為頻率更高（能量更高）的電磁波；左邊為頻率更低（能量更低）的電磁波，由于頻率較低的電磁波比較安全，而且具有良好的繞射特性，因此適合用來(lái)做為無(wú)線(xiàn)通信使用。
（a）電磁波頻譜；
（b） 通信電磁波頻譜。
目前用來(lái)做為無(wú)線(xiàn)通信的電磁波如圖2（b）所示，包括：
1）頻率大約 100G~1GHz 的電磁波：通常應用在衛星通信、衛星定位、雷達與微波通信等，而頻率 30GHz 以上（相當于波長(cháng) 10 毫米以下）的電磁波稱(chēng)為「毫米波（Millimeter Wave）」，目前有公司計劃應用在 5G 的通信系統中。
2）頻率大約 100M~1MHz 的電磁波：通常應用在無(wú)線(xiàn)電視、移動(dòng)通信（GSM / GPRS）、調幅廣播（AM）、業(yè)余無(wú)線(xiàn)電、調頻廣播（FM）等。
3）頻率大約 100K~1KHz 的電磁波：通常應用在航空無(wú)線(xiàn)電、海底電纜、電話(huà)與電報等。
無(wú)線(xiàn)通信傳遞通道：帶寬
帶寬（Bandwidth）是用來(lái)傳遞信號的「頻率范圍」，單位與頻率相同為「赫茲（Hz）」，而且每一對通信用戶(hù)必須使用「不同的頻率范圍」來(lái)通話(huà)，假設：
甲和乙使用頻率 900~900.2MHz 的電磁波通話(huà)（帶寬 900.2-900=0.2MHz）；
丙和丁使用頻率 900.2~900.4MHz 的電磁波通話(huà)（帶寬 900.4-900.2=0.2MHz）；
此時(shí)我們說(shuō)這個(gè)通信系統的語(yǔ)音信道帶寬為 0.2MHz。
手機并不會(huì )分辨到底是誰(shuí)和誰(shuí)在通話(huà)，而是接收某一個(gè)「頻率范圍（帶寬）」的電磁波信號，因此甲與乙通話(huà)時(shí)手機都接收頻率 900~900.2MHz 的電磁波，丙與丁通話(huà)時(shí)手機都接收頻率 900.2~900.4MHz 的電磁波，換句話(huà)說(shuō)，所有的通訊組件都是「只認頻率不認人」，而且相同頻率范圍的電磁波只能使用一次，不能重復使用，否則會(huì )互相干擾。
帶寬與數據傳輸率的差異
「帶寬（Bandwidth）」與「數據傳輸率（Data rate）」的意義很類(lèi)似，常常讓我們混淆，這里簡(jiǎn)單說(shuō)明它們之間的差別：
1）帶寬（Bandwidth）是模擬通訊使用的名詞：由圖一可以看出，電磁波是一種連續的波動(dòng)能量，既然是連續的當然一定是模擬信號，因此「帶寬（Bandwidth）」和它的單位「赫茲（Hz）」指的都是電磁波的物理特性。
2）數據傳輸率（Data rate）是數字通訊使用的名詞：手機會(huì )先將我們講話(huà)的聲音（連續的模擬信號）先轉換成不連續的 0 與 1 兩種數字信號，再經(jīng)由天線(xiàn)傳送出去。數據傳輸率的單位「每秒位數（bps：bit per second）」，代表每秒可以傳送幾個(gè)位，也就是每秒可以傳送幾個(gè) 0 或 1，例如：1Gbps（1G = 10 億）代表每秒可以傳送 10 億個(gè)位（10 億個(gè) 0 或 1）。
數據傳輸率是數字通訊時(shí)實(shí)際傳送每個(gè)位數據的速率，重點(diǎn)是數字信號讓我們可以利用不同的調變與多任務(wù)技術(shù)，使相同帶寬的介質(zhì)具有更高的數據傳輸率，這就是目前許多新的通信技術(shù)，例如：3G 使用的 WCDMA、4G 使用的 OFDM 等被發(fā)明出來(lái)的原因，后面會(huì )再詳細說(shuō)明。
在前文中，我們了解到無(wú)線(xiàn)通信的頻譜有限，分配非常嚴格，相同帶寬的電磁波只能使用一次，例如 2G 的 GSM900 系統使用頻率范圍 890~960MHz，則其他的無(wú)線(xiàn)通信就不能再使用這個(gè)頻率范圍，否則會(huì )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(lái)擴增頻譜的使用率，例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在這些復雜技術(shù)的背后，只要能掌握兩個(gè)基本概念，就能了解整個(gè)通訊技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵。
這兩個(gè)基本概念為「調制技術(shù)」（Modulation）與「多任務(wù)技術(shù)」（Multiplex）。其中調制技術(shù)是將模擬電磁波調變成不同的波形，來(lái)代表 0 與 1 兩種不同的數字信號，這樣才能利用天線(xiàn)傳送到很遠的地方（這里只談數字調制技術(shù)，不討論早期的 AM、FM 這種模擬調制技術(shù)）。多任務(wù)技術(shù)則是將電磁波區分給不同的使用者使用，由于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(gè)電磁波是誰(shuí)的呢？
數字調制技術(shù)（Digital modulation）
現在的手機是屬于「數字通訊」，也就是我們講話(huà)的聲音（連續的模擬信號），先由手機轉換成不連續的 0 與 1 兩種數字信號，再經(jīng)由數字調變轉換成電磁波（模擬信號載著(zhù)數字信號），最后從天線(xiàn)傳送出去，原理如圖3所示。
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的數字信號呢？因此科學(xué)家發(fā)明了下列 4 種數字調制技術(shù)：
1．振幅位移鍵送（ASK）：利用電磁波的「振幅大小」載著(zhù)數字信號（0 與 1）傳送出去，振幅小代表 0，振幅大代表 1，圖4（a）所示。
2．頻率位移鍵送（FSK）：利用電磁波的「頻率高低」載著(zhù)數字信號（0 與 1）傳送出去，頻率低代表 0，頻率高代表 1，圖4（b）所示。
3．相位位移鍵送（PSK）：利用電磁波的「相位不同（波形不同）」載著(zhù)數字信號（0 與 1）傳送出去，相位 0° 代表 0，相位 180° 代表 1，圖4（c）所示。
4．正交振幅調制（QAM）：同時(shí)利用電磁波的「振幅大小」與「相位不同（波形不同）」載著(zhù)數字信號（0 與 1）傳送出去，這個(gè)圖形比較復雜有興趣的人可以參考這里。
（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。
數字調制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括可以偵錯與除錯、可以壓縮與解壓縮、可以加密與解密、更好的抗噪聲能力等，我們所使用手機 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )（Wi-Fi）、藍牙（Bluetooth）等都是使用數字調制，顯然數字通訊是發(fā)展的趨勢。
傳送端將數字信號（0 與 1）轉變成不同的電磁波波形稱(chēng)為「調制（Modulation）」；同理，接收端將不同的電磁波波形還原成數字信號（0 與 1）稱(chēng)為「解調（Demodulation）」，所有的通訊裝置一般都必須同時(shí)支持傳送（調制）與接收（解調），因此科學(xué)家把負責調制與解調的組件稱(chēng)為「調制解調器」，英文就把「Modulation」與「Demodulation」的字頭組合成一個(gè)新單字「Modem」，下回只要聽(tīng)到 Modem 就知道它是在做通訊用的組件啰！
復用技術(shù)（Multiplex）
多人共同使用一條信息信道的方法稱(chēng)為「復用技術(shù)」（Multiplex），簡(jiǎn)單的說(shuō)，天空只有一個(gè)，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(huà)的），那些是我的（和我通話(huà)的）呢？
復用技術(shù)的目的就是讓所有人使用，而且彼此不能互相干擾，為了增加數據傳輸率，可能必須同時(shí)使用兩種以上的復用技術(shù)，才能滿(mǎn)足每個(gè)人都要使用的需求。無(wú)線(xiàn)通信常見(jiàn)的復用技術(shù)包括下列 4 種：
1．時(shí)分多址（TDMA）：使用者依照「時(shí)間先后」輪流使用一條信息信道，如圖5（a）所示，目前 2G 的 GSM / GPRS 系統有使用 TDMA。
2．頻分多址（FDMA）：用戶(hù)依照「頻率不同」同時(shí)使用一條信息信道，如圖5（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(lái)通話(huà)，其實(shí)就是 FDMA，目前 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS 有使用 FDMA。
3．碼分多址（CDMA）：將不同用戶(hù)的數據分別與特定的「密碼（Code）」運算以后，再傳送到數據信道，接收端以不同的密碼來(lái)分辨要接收的信號，如圖5（c）所示。目前 3G 的 UMTS 有使用 CDMA。
4. 正交頻分復用（OFDM）：前面介紹過(guò)頻分多址（FDMA）是用戶(hù)依照「頻率不同」同時(shí)傳送數據，而 OFDM 原理類(lèi)似，唯一不同的是必須使用彼此「正交」的頻率，這個(gè)原理比較復雜有興趣的人可以參考這里，目前 4G 的 LTE / LTE-A、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )（IEEE802.11a/g/n）、數字電視（DTV）、數字音頻傳輸（DAB）有使用 OFDM。
（a）TDMA：依照時(shí)間先后輪流使用；
（b）FDMA：依照頻率不同同時(shí)使用；
（c）CDMA：將不同用戶(hù)的數據分別與特定的密碼運算。
復用技術(shù)的比喻
復用技術(shù)比較復雜，我們可以想象在房子里，甲與乙要講話(huà)，丙與丁要講話(huà)，戊與己要講話(huà)：
時(shí)分多址（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(lèi)推，大家輪流（分時(shí)）講話(huà)彼此就不會(huì )互相干擾。
頻分多址（FDMA）：甲與乙在客廳講話(huà)，丙與丁在書(shū)房講話(huà)，戊與己在臥室講話(huà)，大家在不同的房間（分頻）講話(huà)彼此就不會(huì )互相干擾。
碼分多址（CDMA）：甲與乙用中文講話(huà)，丙與丁用英文講話(huà)，戊與己用日文講話(huà)，這樣雖然大家在同一個(gè)房子里講話(huà)，各自仍然可以分辨出各自不同的語(yǔ)言，當甲與乙用中文講話(huà)時(shí)，丙與丁的英文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會(huì )造成甲與乙解讀中文的困擾；同理，當丙與丁用英文講話(huà)時(shí)，甲與乙的中文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會(huì )造成丙與丁解讀英文的困擾，在這個(gè)例子里「用不同的語(yǔ)言講話(huà)」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：增加頻譜效率與帶寬
「頻譜效率」（Spectrum efficiency）是單位帶寬（Hz）具有多少數據傳輸率（bps），可參考表 1 的說(shuō)明，當單位帶寬的數據傳輸率高，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(gè)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制與復用技術(shù)來(lái)增加頻譜效率，讓相同帶寬的電磁波具有更高的數據傳輸率，也就是把更多的 0 和 1 塞進(jìn)相同帶寬的電磁波里來(lái)傳送。
增加帶寬
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(méi)有被使用的電磁波來(lái)給 5G 手機用，大家現在明白為什么 5G 技術(shù)會(huì )想要使用頻率 30GHz（相當于波長(cháng) 10 毫米）的「毫米波（Millimeter Wave）」了吧！
注：表 1 中的頻譜效率是直接以數據傳輸率除以信道帶寬，但是不同世代的通信系統使用不同的技術(shù)，這個(gè)并沒(méi)有考慮進(jìn)去，因此表中不同世代應該分開(kāi)來(lái)比較才有意義?！?/p>
注：線(xiàn)路交換與分組交換
線(xiàn)路交換（Circuit switch）：是指傳送端與接收端之間先建立一條專(zhuān)用的聯(lián)機再進(jìn)行通信，傳統的語(yǔ)音通信都是屬于線(xiàn)路交換，例如：國內電話(huà)與國際電話(huà)、移動(dòng)電話(huà)等在通話(huà)之前都必須先撥號，等交換機將電話(huà)接通之后才能通話(huà)，就是使用線(xiàn)路交換的方式，通常費用是以「使用時(shí)間」計算，例如：撥打市內電話(huà)或移動(dòng)電話(huà)，使用越久費用越高。
分組交換（Packet switch）：是指傳送端與接收端之間共享一條線(xiàn)路，必須先將要傳送的數據切割成許多較小的「封包（Packet）」再進(jìn)行通信，目前的「數據通信（Datacom）」都是屬于分組交換，用戶(hù)要傳送的數據越多，則封包數目越多，傳送的時(shí)間越長(cháng)，計算機網(wǎng)絡(luò )在通信之前并不需要撥號，只要將網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)連接即可使用，就是使用分組交換的方式，通常費用是以「數據傳輸率」來(lái)計算，不同數據傳輸率費用不同，但是使用時(shí)間沒(méi)有限制。
浙公網(wǎng)安備 33020902000291號
掃碼咨詢(xún)
