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3G、4G、5G有何不同之处之二

2015-10-28

      带宽与数据传输率的差异:(上海监控安装由星际网络提供支持)。
      带宽(Bandwidth)」与「数据传输率(Data rate)」的意义很类似,常常让我们混淆,这里简单说明它们之间的差别:带宽(Bandwidth)是模拟通讯使用的名词:由图一可以看出,电磁波是一种连续的波动能量,既然是连续的当然一定是模拟讯号,因此「带宽(Bandwidth)」和它的单位「赫兹(Hz)」指的都是电磁波的物理特性。
      
数据传输率(Data rate)是数字通讯使用的名词:手机会先将我们讲话的声音(连续的模拟讯号)先转换成不连续的 0 与 1 两种数字讯号,再经由天线传送出去。数据传输率的单位「每秒位数(bps:bit per second)」,代表每秒可以传送几个位,也就是每秒可以传送几个 0 或 1,例如:1Gbps(1G = 10 亿)代表每秒可以传送 10 亿个位(10 亿个 0 或 1)。
      
数据传输率是数字通讯时实际传送每个位数据的速率,重点是数字讯号让我们可以利用不同的调变与多任务技术,使相同带宽的介质具有更高的数据传输率,这就是目前许多新的通讯技术,例如:3G 使用的 WCDMA、4G 使用的 OFDM 等被发明出来的原因,后面会再详细说明。
      
在前文中,我们了解到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 890~960MHz,则其他的无线通信就不能再使用这个频率范围,否则会互相干扰。为了解决僧多粥少的难题,工程师研发出许多技术,来扩增频谱的使用率,例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM,而在这些复杂技术的背后,只要能掌握两个基本概念,就能了解整个通讯技术的发展关键。(上海监控安装由星际网络提供支持)。
      
这两个基本概念为「调变技术」(Modulation)与「多任务技术」(Multiplex)。其中调变技术是将模拟电磁波调变成不同的波形,来代表 0 与 1 两种不同的数字讯号,这样才能利用天线传送到很远的地方(这里只谈数字调变技术,不讨论早期的 AM、FM 这种模拟调变技术)。多任务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,当每支手机都把电磁波丢到空中,该如何区分那个电磁波是谁的呢?
      
数字调变技术(Digital modulation)现在的手机是属于「数字通讯」,也就是我们讲话的声音(连续的模拟讯号),先由手机转换成不连续的 0 与 1 两种数字讯号,再经由数字调变转换成电磁波(模拟讯号载着数字讯号),最后从天线传送出去,原理如图3所示。
      
详解5G与4G、3G的不同之处 图3:数字通讯示意图。(Source:the noun project)电磁波是连续的能量,如何利用电磁波替我们传送这些0与1的数字讯号呢?因此科学家发明了下列 4 种数字调变技术:
      
1.振幅位移键送(ASK):利用电磁波的「振幅大小」载着数字讯号(0 与 1)传送出去,振幅小代表 0,振幅大代表 1,图4(a)所示。
      
2.频率位移键送(FSK):利用电磁波的「频率高低」载着数字讯号(0 与 1)传送出去,频率低代表 0,频率高代表 1,图4(b)所示。
      
3.相位位移键送(PSK):利用电磁波的「相位不同(波形不同)」载着数字讯号(0 与 1)传送出去,相位 0° 代表 0,相位 180° 代表 1,图4(c)所示。(上海监控安装由星际网络提供支持)。
      
4.正交振幅调变(QAM):同时利用电磁波的「振幅大小」与「相位不同(波形不同)」载着数字讯号(0 与 1)传送出去,这个图形比较复杂有兴趣的人可以参考这里。
      
详解5G与4G、3G的不同之处 图4:数字讯号调变技术
      
(a)ASK:振幅小代表 0,振幅大代表 1;
      
(b)FSK:频率低代表 0,频率高代表 1;
      
(c)PSK:相位 0° 代表 0,相位 180° 代表 1。
      
数字调变技术的优点包括可以侦错与除错、可以压缩与解压缩、可以加密与解密、更好的抗噪声能力等,我们所使用手机 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、无线局域网络(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)等都是使用数字调变,显然数字通讯是发展的趋势。
      
传送端将数字讯号(0 与 1)转变成不同的电磁波波形称为「调变(Modulation)」;同理,接收端将不同的电磁波波形还原成数字讯号(0 与 1)称为「解调(Demodulation)」,所有的通讯装置一般都必须同时支持传送(调变)与接收(解调),因此科学家把负责调变与解调的组件称为「调变解调器」,英文就把「Modulation」与「Demodulation」的字头组合成一个新单字「Modem」,下回只要听到 Modem 就知道它是在做通讯用的组件啰!(上海监控安装由星际网络提供支持)。
       
多任务技术(Multiplex)多人共同使用一条信息信道的方法称为「多任务技术」(Multiplex),简单的说,天空只有一个,你的手机要丢电磁波出去,我的手机也要丢电磁波出去,两种电磁波在天空中混在一起,接收端该如何区分那些是你的(和你通话的),那些是我的(和我通话的)呢?
       
多任务技术的目的就是让所有人使用,而且彼此不能互相干扰,为了增加数据传输率,可能必须同时使用两种以上的多任务技术,才能满足每个人都要使用的需求。无线通信常见的多任务技术包括下列 4 种:
       
1.分时多任务接取(TDMA):使用者依照「时间先后」轮流使用一条信息信道,如图5(a)所示,目前 2G 的 GSM / GPRS 系统有使用 TDMA。
       
2.分频多任务接取(FDMA):用户依照「频率不同」同时使用一条信息信道,如图5(b)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 的 UMTS 有使用 FDMA。
       
3.分码多任务接取(CDMA):将不同用户的数据分别与特定的「密码(Code)」运算以后,再传送到数据信道,接收端以不同的密码来分辨要接收的讯号,如图5(c)所示。目前 3G 的 UMTS 有使用 CDMA。
       
4.正交分频多任务(OFDM):前面介绍过分频多任务(FDMA)是用户依照「频率不同」同时传送数据,而 OFDM 原理类似,唯一不同的是必须使用彼此「正交」的频率,这个原理比较复杂有兴趣的人可以参考这里,目前 4G 的 LTE / LTE-A、无线局域网络(IEEE802.11a/g/n)、数字电视(DTV)、数字音频传输(DAB)有使用 OFDM。(上海监控安装由星际网络提供支持)。