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1、無線電基頻技術探微20001 9 月號 第 7 期小余由於數位邏輯的進步，造就了電腦的發展，而數位技術正不斷地滲入傳統無線電領域，這從行動電話的發展就可以清楚看出來。十年前的行動電話體積大，仍然是以類比電路為主要設計架構，現在的行動電話無論是GSM、GPRS 、EDGE、3G、甚至未來的 4G 都有一個共同趨勢，那就是：數位邏輯或所謂可程式邏輯(Programmable Logics)將逐漸取代傳統的類比電路(analog circuit)，其理由很簡單，就是現代軟體已經可以取代過去只有硬體能做的事了。用軟體取代硬體代表著產品體積可以做的更小，耗電量因此可以降低。此外軟體還可以做到硬體所做不到
2、的工作，例如：允許不必更換硬體，而能同時提供多項服務或能像 PC 一樣可更換不同作業系統。這些功能在過去的無線電歷史裡是找不到的，因為如果只使用硬體去達到這些功能，成本將非常龐大，而且頻率再利用率也無法大幅提高，其經濟效益當然就不大了。有鑑於此，目前的電信大廠正在實踐一個偉大的理想，就是要將硬體精簡化、單一化，讓軟體執行最複雜的工作，而執行此極複雜工作的元件就是基頻處理器。本文將以簡單通俗的語言來介紹當今無線電通訊系統中最重要的元件之一基頻處理器的基本原理。基頻觀念的演變自然界存在著電磁波及其輻射能量，例如：gamma 射線、X 射線、紫外線、可見光、紅外線、雷達波(radar wave)和無
3、線電波(radio wave).等，這些輻射線都具有它們特定的頻率光譜或稱頻譜(frequency spectrum)，例如：20 Hz 到 20 kHz 是人耳可以聽得見的頻率範圍或稱為音頻(audio frequency)頻譜、300 Hz to 3400 Hz是人類聲帶(vocal cords)所能發出的頻率範圍或稱為聲頻(voice frequency/voice band)頻譜。這些原始的頻率範圍或頻譜經過如麥克風之類的能量轉換器(transducer)處理之後，會得到一個基本的頻率範圍或所謂頻寬(bandwith)，例如：聲頻一般是以 4kHz 的頻寬被看待和處理的，這 4kHz
4、大小是尚未交給收發機(transceiver) 之前的基本頻率，故簡稱基頻。基頻的觀念最早是指電磁波的頻譜範圍，後來因為能量轉換器除能夠轉換電磁能量外，還可以做訊號放大、調變和解調.等其它工作，因此將基頻定義為電磁轉換後所得到的頻率範圍，也就是說聲頻的基頻是 4kHz，而不再是原先的 300 Hz to 3400 Hz，這其中的增量是來自能量轉換過程中添加了所必需的頻寬，例如：保護頻寬(guard band)等等。這個觀念到現在並沒有改變，不過卻出現傳統無線電系統裡所沒有的基頻處理器(baseband processor)，這個元件在收音機、電視、無線電話、無線對講機(walkie-talki
5、e).等設備裡是找不到的，它只存在於目前的無線通訊設備。未來基頻處理器將不斷整合現有的射頻(RF)和基頻(IF)電路，而 DSP 將成為基頻處理器的核心。載波和基頻訊息信號(message signal)的頻寬(bandwidth)稱作基頻；載波信號(carrier signal)的頻率是通訊系統的預設值，在一般狀態下它都是保持固定值。當訊息信號改變(modify)載波信號的特性 (properties)時，會產生新的複合式無線電波(composite wave)，或稱作調變波(modulated wave)，這個過程就是所謂的調變(modulation)，其逆向過程就是解調(demodula
6、tion) 。訊息信號被調變的結果是：訊息信號的電磁波能量會分佈(distribute) 在載波頻率附近，因為載波頻率一般是屬於頻率高的射頻範圍，在物理學裡，高頻或短波在空氣中具有遠距通訊的特性，所以屬於基頻的訊息信號可以藉由它無遠弗屆。由此可以清楚看出位於無線通訊系統前端的射頻收發機和基頻處理器的重要性及這兩種元件的經濟價值了。在新一代的數位式通訊系統裡常常使用上轉換器(upconverter)和下轉換器(downconverter)這是使用較為複雜的調變和解調技術，如附圖 1 所示，位於基頻的訊息信號必須經過序列平行轉換器(serial to parallel converter)將代表訊
7、息的數位信號轉成兩個相位差為 90 度的 sine 波和 cosine 波，經過數位類比轉換器(DAC)，再分別調變相對應的載波就可得到兩個混波(mixed wave)，最後如果將這兩個混波相減，就可得到高頻的調變波，這就是上轉換器的功能；如果將這兩個混波相加，就可得到中頻(intermediate frequency；IF)的調變波，這就是下轉換器的功能。目前流行的 QAM、QFSK、QPSK.等技術都是使用這種 正交調變(quadrature modulation)達到的。正交調變是數位式通訊系統的特色，它不只應用在無線電通訊，也應用在無線電通訊系統，例如：符合 DOCSIS 1.0 標準
8、的有線電視系統就是使用 QAM 調變技術。由於調變/解調位於射頻和中頻之間，為了減少成本和加快產品化時程，零中頻或近零中頻的設計漸成為主流，其終極目標是要將射頻、調變/解調( 上/下轉換 )、中頻和基頻整合到系統單晶片(SoC)裡，可是因元件間的電磁干擾、電源供應、處理效率、記憶空間.等限制，所以很難實現。目前的做法是將射頻、調變/解調(上/下轉換) 、中頻盡量整合在系統單晶片裡，基頻處理器則單獨存在，這種做法將有助於以基頻處理器為主要業務的晶片設計公司有成長茁壯的機會，更有助於未來的消費型行動通訊裝置可以同時和在不需更換硬體的情況下來提供各種不同的應用，例如：利用智慧卡或網際網路來更換或擴充
9、基頻處理器和快閃記憶體裡的軟體，俾與其它異質通訊系統(手機對 IA、IA 對手機)連接。編解碼對數位通訊系統的重要性其實要了解數位通訊的編解碼技術非得具有良好的數學基礎，但是如果只光講數學理論，相信許多讀者都會受不了。但是，數位通訊系統的特色就是以軟體或演算法(algorithm)取代硬體，而編碼理論(coding theory)是軟體的圭臬，所以要完全掌握數位通訊演算法就要懂編碼理論。簡而言之，編解碼技術被應用在數位通訊系統者有三個領域，分別是：1.信號源編碼、2.頻道編碼、3.調變編碼。信號源編碼：就是將使用者的類比或數位信號源轉換為通訊系統能接受的最佳傳輸信號。例如：音訊晶片裡的語音編解
10、碼器(vocoder)、視訊晶片裡的時頻域轉換(frequency domain transform)或 MPEG 標準。頻道編碼：將額外或累贅的位元加到符號集(symbol set)裡，可以得到對二進位碼偵錯和除錯的效果。通常頻道編碼是以二進位數據(binary data)來運算，也就說它是以取樣後的數位碼為主體。2n 個符號構成一個符號集，n 是一個符號的位元數，例如：某一個符號集有 28 個符號，表示它的每一個符號是以八個 0或 1 數值組合而成的，其第一個和最後一個的符號是 00000000 和 11111111。調變編碼：調變符號集(constellation) 被調變編碼後，在接收
11、端被解碼和碼擴展(expand)時，可以達到對符號偵錯和除錯的效果。通常調變編碼是以類比數據符號(analogue data symbols)來運算，也就說它是以未取樣的類比信號為主體。信號源編碼和頻道編碼可以歸類為基頻處理的範疇，但是一般習慣將它們分開，這是為了方便應用，因為信號源編碼需要不同的和特定的晶片來處理，如果將它內嵌在基頻處理器裡可能會在應用上受到限制。調變編碼是屬於中頻或射頻處理的範疇，它是以符號為主體，有別於頻道編碼以位元為主體。這三種編碼彼此組合互相影響，構成了現代數位通訊系統的基礎。目前國外許多研究機構正計畫將訊號源直接映射(mapping)到多階信號(multi-leve
12、l signalling)或 M 位元信號(M-ary signalling)，省略位元級的頻道編碼，亦即零中頻，這是企圖整合與優化信號源、頻道和調變三種編碼，它包含許多理論和實務報告，由於涉及甚廣且深，非本文欲討論之範圍，在此僅簡述基頻處理器裡的編碼技術及其它功能於後：基頻處理器的功能在附圖 2 中可以看出一個基頻處理器至少必須包括四個功能：1.頻道編解碼(channel coding/decoding)、2.序列轉平行和平行轉序列、3.傅立葉轉換和反轉換(FFT/IFFT)、 4.循環贅碼檢查 (cyclic redundancy check；CRC) 的功能。下面分述這四個功能的內涵：頻
13、道編解碼由於行動通訊的多傳播路徑(multipath propagation)和使用者不斷移動的影響，接收到的信號常常是猝發的訊爆(burst)和短暫的斷訊，也就是說有時能收到正常的或猝發的信號，有時則收不得。而通訊錯誤就存在於訊爆和暫時斷訊裡，目前解決的方法是使用插頁(interleave)技術將這些無法避免的錯誤平均分配到每一個塊碼(code block)裡。插頁法是將接收到的一些已編碼過的數據以一行(row)一行的方式暫存在矩陣式記憶體裡，等到填滿此記憶體後，再一列一列地將它讀出，隨後矩陣式記憶體轉而暫存即將要發送的已編碼數據。這麼做可以將訊爆錯誤平均分配到每一個塊碼裡。矩陣式記憶體的大
14、小稱作插頁深度(interleave depth)，如果插頁深度的值愈大，表示通訊系統愈能抗拒長時間的信號變弱(fading)，不過，其代價是收發塊碼時，要等待矩陣式記憶體填滿的時間很長，會造成通訊延遲(latency) 。因此，解決長時間的信號變弱必須採用另一種方法，那就是使用 Reed-Solomon 編碼(RS codes)。RS 的基本原理是將塊碼當成主體，而不是位元(bit)，數據流必須先被包裝成有 k 符號數的 RS 塊碼，RS編碼器會將這些塊碼轉換為位元數和符號數更多的 n 符號集，稱作超編碼塊碼(super-coded block)。之後，在傳送過程中雖然會遭遇到長時間的信號變
15、弱，但是在接收端，Reed-Solomon 解碼器可以完整地偵錯和修正錯誤，所以是非常可靠的行動通訊偵除錯技術。目前 RS 編碼常伴隨插頁技術存在行動通訊系統裡，在 CD 和 DVD 撥放機裡也有利用到 Reed-Solomon 編碼技術。序列轉平行和平行轉序列將序列信號轉成平行信號除了為了得到調變波以外，另一個原因就是要建立多個平行通道(或頻道)。由於為了要加強偵除錯能力，編碼數或符號數或頻率數或頻道數將會增加，信號編解碼延遲時間將因此拉長，這將造成不同頻率的信號變弱(fading)程度不同，例如：在接收端，A 頻率的信號變弱程度會和B、 C、 D 等頻率不一樣，如此將無法將原有信號(ori
16、ginal signal)在接收端正確還原。解決的方法依照使用的通訊系統而有所不同，常用的有：參考好的信號(reference sounding signal)、平行頻道、展頻(spectral spreading)、頻道均衡(channel equalization)、定向天線(directional antenna)。本文將僅舉平行頻道來說明多路徑引起的信號變弱(multipath fading)。平行頻道裡的每一個頻道都可以視為一個可供參考的好信號，當接收到的信號變弱時，這個好信號也會變弱，根據它變弱的程度就可以修正期望的信號使其正確還原。當每個頻道的頻寬盡量小時，信號變弱量會平均分佈在不同頻率裡，在接收端可藉由不同頻道裡的好信號或僅利用良好的頻道編解碼技術將期望信號正確還原。歐洲的數位音訊廣播標準(Digital Audio Broadcast；DAB)和數位視訊廣播標準(Digital Video
