3G4G5G背后的科学意义.docx

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3G4G5G背后的科学意义

3G4G5G背后的科学意义

智能手机的问世除了带动移动世代的崛起，更加速通信技术的革新，在几年间，数据传输率的增加让用户享受高速移动网络新体验，3G、4G、5G的议题热度也始终居高不下。

但是一般人对4G乃至于5G的认知，就是手机上网的速度更快，并不了解背后的科学含意，本文将从不同通信时代的角度切入，一步步带领读者认识这些技术背后的原理，到底什么是电磁波？

什么是带宽？

不同世代的差别又在哪里？

移动电话的世代

我们常常听到广告说：

4GLTE，其中G代表「代（Generation）」，4G代表第四代，是为了与之前的第二代（2G）、第三代（3G）移动电话做出区隔，我们以目前全球市占率最高的欧洲系统来说明：

第二代移动电话（2G）：

GSM系统只支持线路交换（注）的语音信道，主要通过语音信道打电话与传送短信，GPRS系统支持分组交换因此可以上网，但是由于利用语音信道传送数据封包，因此上网的速度很慢。

第三代移动电话（3G）：

UMTS系统支持分组交换（注），可以用更快的速度上网，由于3G的手机同时支持2G，因此当我们使用3G的手机讲电话或发短信时，其实是使用GSM系统的语音信道来完成。

第四代移动电话（4G）：

LTE/LTE-A系统支持分组交换，可以用更快的速度上网，由于4G的手机大多同时支持3G与2G，因此在手机找不到LTE基站时仍然会以UMTS基站上网，讲电话或发短信时仍然是使用GSM系统的语音信道来完成。

其实4G使用的LTE系统由于数据传输率很高，可以直接将语音数据切割成封包来传送，原理就和Skype网络电话一样，可以让音质更好，但是分组交换通常费用是以数据传输率来计算，等于使用者讲再久费用都一样，对电信公司来说如何收到更多钱是个问题；反观线路交换是计时收费，电信公司能够赚到更多钱，因此目前大部份电信公司的4GLTE提供讲电话或发短信时，仍然是使用GSM系统的语音信道来完成。

带宽的科学含意

一般人对通信世代的认知就是越后面的世代表示带宽（Bandwidth）越宽，带宽就好像高速公路，带宽越宽就好像高速公路越宽（车道越多），代表行车速度越快，也就是通信时数据传输率越高；再讲简单一点，就是手机上网的速度更快，这样的观念是对的，但是这种认知是不科学的，要解释带宽，我们需要从电磁波说起。

无线通信传递媒介：

电磁波

电磁波（Electromagneticwave）是由互相垂直的「电场（Electricfield）」与「磁场（Magneticfield）」交互作用而产生的一种「能量（Energy）」，这种能量在前进的时候就像水波一样会依照一定的频率不停地振动，如图1（a）所示。

电磁波每秒钟振动的次数是「频率（Frequency）」，单位为「赫兹（Hz）」，假设某一个电磁波一秒钟振动2次，则频率为2Hz，如图1（b）所示；一秒钟振动4次，则频率为4Hz，如图1（c）所示，例如：

无线局域网络（Wi-Fi）与蓝牙（Bluetooth）的通讯频率为2.4GHz，意思就是它使用的电磁波每秒钟振动24亿次（在这里G的意思是Giga，也就是Billion，代表10亿，不是前面3G、4G、5G的那个G）。

图1：

电磁波的定义

（a）电磁波是由彼此互相垂直的电场与磁场交互作用而产生的能量；

（b）每秒钟振动2次则频率为2Hz；

（c）每秒钟振动4次则频率为4Hz。

宇宙里自然存在的所有电磁波如图2（a）所示，我们称为「电磁波频谱（Spectrum）」，由图中可以看出中间的部分是光（Light），包括：

红外光（Infrared，IR）、可见光（人类肉眼可以看见的光）、紫外光（Ultraviolet，UV），因此光是一种电磁波；右边为频率更高（能量更高）的电磁波；左边为频率更低（能量更低）的电磁波，由于频率较低的电磁波比较安全，而且具有良好的绕射特性，因此适合用来做为无线通信使用。

图2：

电磁波频谱与应用。

（a）电磁波频谱；

（b）通信电磁波频谱。

目前用来做为无线通信的电磁波如图2（b）所示，包括：

1）频率大约100G~1GHz的电磁波：

通常应用在卫星通信、卫星定位、雷达与微波通信等，而频率30GHz以上（相当于波长10毫米以下）的电磁波称为「毫米波（MillimeterWave）」，目前有公司计划应用在5G的通信系统中。

2）频率大约100M~1MHz的电磁波：

通常应用在无线电视、移动通信（GSM/GPRS）、调幅广播（AM）、业余无线电、调频广播（FM）等。

3）频率大约100K~1KHz的电磁波：

通常应用在航空无线电、海底电缆、电话与电报等。

无线通信传递通道：

带宽

带宽（Bandwidth）是用来传递信号的「频率范围」，单位与频率相同为「赫兹（Hz）」，而且每一对通信用户必须使用「不同的频率范围」来通话，假设：

甲和乙使用频率900~900.2MHz的电磁波通话（带宽900.2-900=0.2MHz）；

丙和丁使用频率900.2~900.4MHz的电磁波通话（带宽900.4-900.2=0.2MHz）；

此时我们说这个通信系统的语音信道带宽为0.2MHz。

手机并不会分辨到底是谁和谁在通话，而是接收某一个「频率范围（带宽）」的电磁波信号，因此甲与乙通话时手机都接收频率900~900.2MHz的电磁波，丙与丁通话时手机都接收频率900.2~900.4MHz的电磁波，换句话说，所有的通讯组件都是「只认频率不认人」，而且相同频率范围的电磁波只能使用一次，不能重复使用，否则会互相干扰。

带宽与数据传输率的差异

「带宽（Bandwidth）」与「数据传输率（Datarate）」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：

1）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信号，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。

2）数据传输率（Datarate）是数字通讯使用的名词：

手机会先将我们讲话的声音（连续的模拟信号）先转换成不连续的0与1两种数字信号，再经由天线传送出去。

数据传输率的单位「每秒位数（bps：

bitpersecond）」，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，重点是数字信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信技术，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。

这两个基本概念为「调制技术」（Modulation）与「多任务技术」（Multiplex）。

其中调制技术是将模拟电磁波调变成不同的波形，来代表0与1两种不同的数字信号，这样才能利用天线传送到很远的地方（这里只谈数字调制技术，不讨论早期的AM、FM这种模拟调制技术）。

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？

数字调制技术（Digitalmodulation）

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，再经由数字调变转换成电磁波（模拟信号载着数字信号），最后从天线传送出去，原理如图3所示。

图3：

数字通讯示意图

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的数字信号呢？

因此科学家发明了下列4种数字调制技术：

1．振幅位移键送（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，图4（a）所示。

2．频率位移键送（FSK）：

利用电磁波的「频率高低」载着数字信号（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）」载着数字信号（0与1）传送出去，相位0°代表0，相位180°代表1，图4（c）所示。

4．正交振幅调制（QAM）：

同时利用电磁波的「振幅大小」与「相位不同（波形不同）」载着数字信号（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。

图4：

数字信号调制技术

（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。

数字调制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）等都是使用数字调制，显然数字通讯是发展的趋势。

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）」，所有的通讯装置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组件称为「调制解调器」，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！

复用技术（Multiplex）

多人共同使用一条信息信道的方法称为「复用技术」（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？

复用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复用技术，才能满足每个人都要使用的需求。

无线通信常见的复用技术包括下列4种：

1．时分多址（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．频分多址（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．码分多址（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