3G4G5G有何不同之处讲课教案Word文档下载推荐.docx

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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。

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

Electricfield）

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（Electromagneticwave）

按監第1次振■皤2次

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的意思是Giga，也就是Billion，代表10亿，不是前面3G、4G5G的那个G）。

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（c）

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4Hzo

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

波

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低

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（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）通讯电磁波频谱。

目前用来做为无线通信的电磁波如图2（b）所示，包括：

频率大约100G~1GHz的电磁波：

通常应用在卫星通讯、卫星定位、雷达与微波通讯等，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的通讯系统中。

频率大约100M~1MHz的电磁波：

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

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）是用来传递讯号的「频率范围」，单位与频率相同为「赫兹（Hz）」，而且每一对通讯用户必须使用「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）;

此时我们说这个通讯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）」的电磁波讯号，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：

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（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：

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WCDMA4G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TDMAFDAMCDMAOFDM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（Digitalmodulation）

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01010

手撓

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。

0与1的数字讯号呢？

因

图3:

数字通讯示意图。

（Source:

thenounproject）

电磁波是连续的能量，如何利用电磁波替我们传送这些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。

FSK

振帖位移初迓

ASK

相*立垃移您進

PSK

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）J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。

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/GPRS3G的UMTS4G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!

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/GPRS3G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。

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图5:

多任务技术（Multiplex）

（a）TDMA依照时间先后轮流使用；

（b）FDMA依照频率不同同时使用；

（c）CDMA将不同用户的数据分别与特定的密码运算

多任务技术的比喻多任务技术比较复杂，我们可以想象在房子里，甲与乙要讲话，丙与丁要讲话,戊与己要讲话：

分时多任务接取（TDMA）甲与乙先讲一句，再换丙与丁讲一句，再换戊与己讲一句，依此类推，大家轮流（分时）讲话彼此就不会互相干扰。

分频多任务接取（FDMA）甲与乙在客厅讲话，丙与丁在书房讲话，戊与己在卧室讲话，大家在不同的房间（分频）讲话彼此就不会互相干扰。

•分码多任务接取（CDMA）甲与乙用中文讲话，丙与丁用英文讲话，戊与己用日文讲话，这样虽然大家在同一个房子里讲话，各自仍然可以分辨出各自不同的语言,当甲与乙用中文讲话时，丙与丁的英文以及戊与己的日文只是声音干扰而己，不会造成甲与乙解读中文的困扰；

同理，当丙与丁用英文讲话时，甲与乙的中文以及戊与己的日文只是声音干扰而己，不会造成丙与丁解读英文的困扰，在这个例子里「用不同的语言讲话」就好像「用不同的密码加密」一样。

4G与5G的技术发展目的：

增加频谱效率与带宽

「频谱效率」（Spectrumefficiency）是单位带宽（Hz）具有多少数据传输率

（bps），可参考表1的说明，当单位带宽的数据传输率高，代表频谱效率高，例如：

LTE可以提供上传2.5bps/Hz，下载5bps/Hz;

LTE-A可以提供上传5bps/Hz，下载10bps/Hz，显然LTE-A的频谱效率比LTE高。

因此4G与5G技术的发展只为了两个目的：

增加频谱效率

由于相同的频率只能使用一次，因此必须利用更新的调变与多任务技术来增加频谱效率，让相同带宽的电磁波具有更高的数据传输率，也就是把更多的0和1

塞进相同带宽的电磁波里来传送。

增加带宽

由于目前的电磁波频谱里10GHz以下的电磁波大部分都已经被用掉了，频谱效率再怎么提高总有技术上的极限，因此科学家只能去挖更高频还没有被使用的电磁波来给5G手机用，大家现在明白为什么Samsung的5G技术会想要使用频率30GHz（相当于波长10毫米）的「毫米波（MillimeterWave）」了吧！