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解读手机芯片基频、中频、射频零部件

无线通讯的频谱有限,分配非常严格,相同频宽的电磁波只能使用一次,为了解决僧多粥少的难题,工程师研发出许多ldquo;调变技术rdquo;(ModulaTIon)与

无线通讯的频谱有限,分配十分严厉,相同频宽的电磁波只能运用一次,为了处理人多粥少的难题,工程师研宣布许多“调变技能”(ModulaTIon)与“多工技能”(MulTIplex),来添加频谱功率,因而才有了 3G、4G、5G 不同通讯代代技能的创造,那么在咱们的手机里,是什么元件担任替咱们处理这些技能的呢?

调变技能与多工技能

首要咱们要了解“调变技能(ModulaTIon)”与“多工技能(MulTIplex)”是彻底不一样的东西,让咱们先来看看它们到底有什么不同?

数码信号调变技能(ASK、FSK、PSK、QAM):将类比的电磁波调变成不同的波形来代表 0 与 1 两种不同的数码信号。ASK 用振幅巨细来代表 0 与 1、FSK 用频率巨细来代表 0 与 1、PSK 用相位(波形)不同来代表 0 与 1、QAM 一同运用振幅巨细与相位(波形)不同来代表 0 与 1。

好啦,每个人的手机天线要传送出去的数码信号 0 与 1 都变成不同波形的电磁波了,问题又来了,这么多不同波形的电磁波丢到空中,该怎么区别那些是你的(和你通话的),那些是我的(和我通话的)呢?

多工技能(TDMA、FDMA、CDMA、OFDM):将电磁波区别给不同的运用者运用。TDMA 用时刻先后来区别是你的仍是我的,FDMA 用不同频率来区别是你的仍是我的,CDMA 用不同暗码(正交展频码)来区别是你的仍是我的,OFDM 用不同正交子载波频率来区别是你的仍是我的。

值得注意的是,不管数码信号调变技能或多工技能,都是在数码信号(0 与 1)进行运算与处理的时分就一同进行,一般是先进行多工技能再进行数码信号调变技能(OFDM 在外),所以多工技能与调变技能必定是一同运用。

数码调变技能(Digital modulation)

现在的手机是归于“数码通讯”,也便是咱们说话的声响(接连的类比信号),先由手机转化成不接连的0与1两种数码信号,再经由数码调变转化成电磁波(类比信号载着数码信号),最终从天线传送出去,原理如图一所示。

图一:数码通讯暗示图。(Source:the Noun Project)

数码通讯体系架构

数码通讯体系的架构如图二(a)所示,运用者或许运用智能手机打电话进行语音通讯或上网进行资料通讯,咱们别离阐明如下:

图二:通讯体系架构暗示图

语音上传(讲电话):声响由麦克风接纳以后为低频类比信号,经由低频类比数码转化器(ADC)转化为数码信号,经由“基频芯片(BB)”进行资料紧缩(Encoding)、加循环式重复查看码(CRC)、频道编码(Channel coding)、交织置(Inter-leaving)、加密(Ciphering)、格式化(Formatting),再进行多工(Multiplexing)、调变(Modulation)等数码信号处理,如图二(b)所示。

接下来经由“中频芯片(IF)”也便是高频数码类比转化器(DAC)转化为高频类比信号(电磁波);最终再经由“射频芯片(RF)”构成不一同间、频率、波形的电磁波由天线传送出去。

语音下载(听电话):天线将不一同间、频率、波形的电磁波接纳进来,经由“射频芯片(RF)”处理后得到高频类比信号(电磁波),再经由“中频芯片(IF)”也便是高频类比数码转化器(ADC)转化为数码信号。

接下来经由“基频芯片(BB)”进行解调(De-modulation)、解多工(De-multiplexing)、解格式化(De-formatting)、解密(De-ciphering)、解交织置(De-inter-leaving)、频道解码(Channel decoding)、解循环式重复查看码(CRC)、资料解紧缩(Decoding)等数码信号处理,最终再经由低频数码类比转化器(DAC)转化为低频类比信号(声响)由麦克风播映出来。

资料通讯(上网):基本上资料通讯不管上传或下载都是数码信号,所以直接进入基频芯片(BB)处理即可,其他流程与语音通讯相似,在此不再重复描绘。

注:通讯的原理便是一大堆的数学,因为手机是咱们天天都在用的东西,一般人对通讯感多感少都有些猎奇想要进一步了解,可是往往走进教室第一堂课看到的便是一大堆杂乱的数码:傅立叶转化(Fourier Transform)、拉普拉斯转化(Laplace Transform)、离散(Discrete),马上就打退堂鼓,为了简化杂乱度让咱们简单看懂,上面关于数码通讯体系的介绍仅仅暗示,与实践的状况会有落差,主张有爱好进一步了解的人能够立足于上面的概念,来进一步了解技能细节。

无线通讯体系架构

根据前面的介绍,咱们来看看智能手机里几个重要的集成电路(IC),首要包含:基频(BB)、中频(IF)、射频(RF)三个部份,如图三所示,每个部分都或许有一个到数个集成电路(IC),也有或许是把数个集成电路(IC)封装成一个,称为“体系单封装(System in a Package,SiP)”,或把数个芯片整组成一个,称为“体系单芯片(System on a Chip,SoC)”。

图三:无线通讯体系架构暗示图

基频芯片(Baseband,BB):归于数码集成电路,用来进行数码信号的紧缩/解紧缩、频道编码/解码、交织置/解交织置、加密/解密、格式化/解格式化、多工/解多工、调变/解调,以及办理通讯协议、操控输入输出界面等运算作业,闻名的移动电话基频芯片供货商包含:高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、迈威尔(Marvell)、联发科(MediaTek)等。

调变器(Modulator):将基频芯片处理的数码信号转化成高频类比信号(电磁波),才干传送很远,想要进一步了解通讯原理的人能够参阅这儿。

混频器(Mixer):首要担任频率转化的作业,将调变后的高频类比信号(电磁波)转化成所需求的频率,来合作不同通讯体系的频率规模(无线频谱)运用。

组成器(Synthesizer):供给无线通讯电磁波与射频集成电路(RF IC)所需求的作业频率,一般经由“相位确定回路(PLL:Phase Locked Loop)”与“电压操控振荡器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)”来供给精准的作业频率。

带通滤波器(Band Pass Filter,BPF):只让特定频率规模(频带)的高频类比信号(电磁波)经过,将不需求的频率规模滤除,得到咱们需求的频率规模(频带)。

功率扩大器(Power Amplifier,PA):高频类比信号(电磁波)传送出去之前,必须先经由功率扩大器(PA)扩大,增强信号才干传送到够远的当地。

传送接纳器(Transceiver):担任传送(Tx:Transmitter)高频类比信号(电磁波)到天线,或是由天线接纳(Rx:Receiver)高频类比信号(电磁波)进来。

低杂讯扩大器(Low Noise Amplifier,LNA):接纳信号时运用,天线接纳进来的高频类比信号(电磁波)很弱小,必须先经由低杂讯扩大器(LNA)扩大信号,才干进行处理。

解调器(Demodulator):接纳信号时运用,将高频类比信号(电磁波)转化成数码信号,再传送到基频芯片(BB)进行数码信号处理作业

所以手机上传(讲电话)的原理是:先由基频芯片(BB)处理数码语音信号,再经由调变器(Modulator)转化成高频类比信号,由混频器(Mixer)转化成所需求的频率,由带通滤波器(BPF)得到特定频率规模(频带)的高频类比信号(电磁波),由功率扩大器(PA)增强信号,最终由传送接纳器(Tx)传送到天线输出。

相反的,手机下载(听电话)的原理是:先由天线传送过来高频类比信号(电磁波),由传送接纳器(Rx)接纳进来,再经由带通滤波器(BPF)得到特定频率规模(频带)的高频类比信号,由低杂讯扩大器(LNA)将弱小的信号扩大,由混频器(Mixer)转化成所需求的频率,由解调器(Demodulator)转化成数码语音信号,最终由基频芯片(BB)处理数码语音信号。

通讯相关集成电路:基频、中频、射频

前面介绍的无线通讯体系后端(Back end)运用基频芯片来处理数码信号,前端(Front end)则所运用的集成电路(IC)大致上能够分为“射频芯片”与“中频芯片”两大类,别离运用不同资料的晶圆制造:

中频芯片(Intermediate Frequency,IF):又称为“类比基频(Analog baseband)”,概念上便是“高频数码类比转化器(DAC)”与“高频类比数码转化器(ADC)”,包含:调变器(Modulator)、解调器(Demodulator),一般还有中频扩大器(IF amplifier)与中频带通滤波器(IF BPF)等,一般由矽晶圆制造的 CMOS 元件组成,或许是数个集成电路,其些或许整组成一个集成电路(IC)。

射频芯片(Radio Frequency,RF):又称为“射频集成电路(RFIC)”,是处理高频无线信号一切芯片的总称,一般包含:传送接纳器(Transceiver)、低杂讯扩大器(LNA)、功率扩大器(PA)、带通滤波器(BPF)、组成器(Synthesizer)、混频器(Mixer)等,一般由砷化镓晶圆制造的 MESFET、HEMT 元件,或矽锗晶圆制造的 BiCMOS 元件,或矽晶圆制造的 CMOS 元件组成,现在也有用氮化镓(GaN)制造的功率扩大器,或许是数个集成电路,某些或许整组成一个集成电路(IC)。

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