无线电基频技术探微

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1、無線電基頻技術探微200019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」(ProgrammableLogics)將逐漸取代傳統的類比電路(analogcircuit)，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

2、體所做不到的工作，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

3、外線、雷達波(radarwave)和無線電波(radiowave)...等，這些輻射線都具有它們特定的頻率光譜或稱頻譜(frequencyspectrum)，例如：20Hz到20kHz是人耳可以聽得見的頻率範圍或稱為音頻(audiofrequency)頻譜、300Hzto3400Hz是人類聲帶(vocalcords)所能發出的頻率範圍或稱為聲頻(voicefrequency/voiceband)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4kH

4、z的頻寬被看待和處理的，這4kHz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300Hzto3400Hz，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(guardband)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(basebandprocessor)」，這個元件在收音機、

5、電視、無線電話、無線對講機(walkie-talkie).....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(messagesignal)的頻寬(bandwidth)稱作基頻；載波信號(carriersignal)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(compositewave)，或稱作調變波(modulatedwave)，這個過程就是

6、所謂的調變(modulation)，其逆向過程就是解調(demodulation)。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

7、頻的訊息信號必須經過「序列平行轉換器」(serialtoparallelconverter)將代表訊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(mixedwave)，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(intermediatefrequency；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」(quadraturemodula