智能手機的問世除了帶動移動世代的崛起，更加速通信技術的革新，在幾年間，數(shù)據(jù)傳輸率的增加讓用戶享受高速移動網(wǎng)絡新體驗，3G、4G、5G 的議題熱度也始終居高不下。但是一般人對 4G 乃至于 5G 的認知，就是手機上網(wǎng)的速度更快，并不了解背后的科學含意，本文將從不同通信時代的角度切入，一步步帶領讀者認識這些技術背后的原理，到底什么是電磁波？什么是帶寬？不同世代的差別又在哪里？

移動電話的世代

我們常常聽到廣告說：4G LTE，其中 G 代表「代（Generation）」，4G 代表第四代，是為了與之前的第二代（2G）、第三代（3G）移動電話做出區(qū)隔，我們以目前全球市占率最高的歐洲系統(tǒng)來說明：

　　

第二代移動電話（2G）：GSM 系統(tǒng)只支持線路交換（注）的語音信道，主要通過語音信道打電話與傳送短信，GPRS 系統(tǒng)支持分組交換因此可以上網(wǎng)，但是由于利用語音信道傳送數(shù)據(jù)封包，因此上網(wǎng)的速度很慢。

　　

第三代移動電話（3G）：UMTS 系統(tǒng)支持分組交換（注），可以用更快的速度上網(wǎng)，由于 3G 的手機同時支持 2G ，因此當我們使用 3G 的手機講電話或發(fā)短信時，其實是使用 GSM 系統(tǒng)的語音信道來完成。

第四代移動電話（4G）：LTE / LTE-A 系統(tǒng)支持分組交換，可以用更快的速度上網(wǎng)，由于 4G 的手機大多同時支持 3G 與 2G，因此在手機找不到 LTE 基站時仍然會以 UMTS 基站上網(wǎng)，講電話或發(fā)短信時仍然是使用 GSM 系統(tǒng)的語音信道來完成。

　　

其實 4G 使用的 LTE 系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)傳輸率很高，可以直接將語音數(shù)據(jù)切割成封包來傳送，原理就和 Skype 網(wǎng)絡電話一樣，可以讓音質(zhì)更好，但是分組交換通常費用是以數(shù)據(jù)傳輸率來計算，等于使用者講再久費用都一樣，對電信公司來說如何收到更多錢是個問題；反觀線路交換是計時收費，電信公司能夠賺到更多錢，因此目前大部份電信公司的 4G LTE 提供講電話或發(fā)短信時，仍然是使用 GSM 系統(tǒng)的語音信道來完成。

　　

帶寬的科學含義

　　

一般人對通信世代的認知就是越后面的世代表示帶寬（Bandwidth）越寬，帶寬就好像高速公路，帶寬越寬就好像高速公路越寬（車道越多），代表行車速度越快，也就是通信時數(shù)據(jù)傳輸率越高；再講簡單一點，就是手機上網(wǎng)的速度更快，這樣的觀念是對的，但是這種認知是不科學的，要解釋帶寬，我們需要從電磁波說起。

　　

無線通信傳遞媒介：電磁波

　　

電磁波（Electromagnetic wave）是由互相垂直的「電場（Electric field）」與「磁場（Magnetic field）」交互作用而產(chǎn)生的一種「能量（Energy）」，這種能量在前進的時候就像水波一樣會依照一定的頻率不停地振動，如圖1（a）所示。電磁波每秒鐘振動的次數(shù)是「頻率（Frequency） 」，單位為「赫茲（Hz）」，假設某一個電磁波一秒鐘振動 2 次，則頻率為 2Hz，如圖1（b）所示；一秒鐘振動 4 次，則頻率為 4Hz，如圖1（c）所示，例如：無線局域網(wǎng)絡（Wi-Fi）與藍牙（Bluetooth）的通訊頻率為 2.4GHz，意思就是它使用的電磁波每秒鐘振動 24 億次（在這里 G 的意思是 Giga，也就是 Billion，代表 10 億，不是前面 3G、4G、5G 的那個 G）。

（a）電磁波是由彼此互相垂直的電場與磁場交互作用而產(chǎn)生的能量；

　　

（b）每秒鐘振動 2 次則頻率為2Hz；

　　

（c）每秒鐘振動 4 次則頻率為4Hz。

宇宙里自然存在的所有電磁波如圖2（a）所示，我們稱為「電磁波頻譜（Spectrum） 」，由圖中可以看出中間的部分是光（Light），包括：紅外光（Infrared，IR）、可見光（人類肉眼可以看見的光）、紫外光（Ultraviolet，UV），因此光是一種電磁波；右邊為頻率更高（能量更高）的電磁波；左邊為頻率更低（能量更低）的電磁波，由于頻率較低的電磁波比較安全，而且具有良好的繞射特性，因此適合用來做為無線通信使用。

（a）電磁波頻譜；

　　

（b） 通信電磁波頻譜。

　　

目前用來做為無線通信的電磁波如圖2（b）所示，包括：

　　

1）頻率大約 100G~1GHz 的電磁波：通常應用在衛(wèi)星通信、衛(wèi)星定位、雷達與微波通信等，而頻率 30GHz 以上（相當于波長 10 毫米以下）的電磁波稱為「毫米波（Millimeter Wave）」，目前有公司計劃應用在 5G 的通信系統(tǒng)中。

　　

2）頻率大約 100M~1MHz 的電磁波：通常應用在無線電視、移動通信（GSM / GPRS）、調(diào)幅廣播（AM）、業(yè)余無線電、調(diào)頻廣播（FM）等。

　　

3）頻率大約 100K~1KHz 的電磁波：通常應用在航空無線電、海底電纜、電話與電報等。

　　

無線通信傳遞通道：帶寬

　　

帶寬（Bandwidth）是用來傳遞信號的「頻率范圍」，單位與頻率相同為「赫茲（Hz）」，而且每一對通信用戶必須使用「不同的頻率范圍」來通話，假設：

　　

甲和乙使用頻率 900~900.2MHz 的電磁波通話（帶寬 900.2-900=0.2MHz）；

　　

丙和丁使用頻率 900.2~900.4MHz 的電磁波通話（帶寬 900.4-900.2=0.2MHz）；

　　

此時我們說這個通信系統(tǒng)的語音信道帶寬為 0.2MHz。

　　

手機并不會分辨到底是誰和誰在通話，而是接收某一個「頻率范圍（帶寬）」的電磁波信號，因此甲與乙通話時手機都接收頻率 900~900.2MHz 的電磁波，丙與丁通話時手機都接收頻率 900.2~900.4MHz 的電磁波，換句話說，所有的通訊組件都是「只認頻率不認人」，而且相同頻率范圍的電磁波只能使用一次，不能重復使用，否則會互相干擾。

　　

帶寬與數(shù)據(jù)傳輸率的差異

　　

「帶寬（Bandwidth）」與「數(shù)據(jù)傳輸率（Data rate）」的意義很類似，常常讓我們混淆，這里簡單說明它們之間的差別：

　　

1）帶寬（Bandwidth）是模擬通訊使用的名詞：由圖一可以看出，電磁波是一種連續(xù)的波動能量，既然是連續(xù)的當然一定是模擬信號，因此「帶寬（Bandwidth）」和它的單位「赫茲（Hz）」指的都是電磁波的物理特性。

　　

2）數(shù)據(jù)傳輸率（Data rate）是數(shù)字通訊使用的名詞：手機會先將我們講話的聲音（連續(xù)的模擬信號）先轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的 0 與 1 兩種數(shù)字信號，再經(jīng)由天線傳送出去。數(shù)據(jù)傳輸率的單位「每秒位數(shù)（bps：bit per second）」，代表每秒可以傳送幾個位，也就是每秒可以傳送幾個 0 或 1，例如：1Gbps（1G = 10 億）代表每秒可以傳送 10 億個位（10 億個 0 或 1）。

　　

數(shù)據(jù)傳輸率是數(shù)字通訊時實際傳送每個位數(shù)據(jù)的速率，重點是數(shù)字信號讓我們可以利用不同的調(diào)變與多任務技術，使相同帶寬的介質(zhì)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率，這就是目前許多新的通信技術，例如：3G 使用的 WCDMA、4G 使用的 OFDM 等被發(fā)明出來的原因，后面會再詳細說明。

　　

在前文中，我們了解到無線通信的頻譜有限，分配非常嚴格，相同帶寬的電磁波只能使用一次，例如 2G 的 GSM900 系統(tǒng)使用頻率范圍 890~960MHz，則其他的無線通信就不能再使用這個頻率范圍，否則會互相干擾。為了解決僧多粥少的難題，工程師研發(fā)出許多技術，來擴增頻譜的使用率，例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在這些復雜技術的背后，只要能掌握兩個基本概念，就能了解整個通訊技術的發(fā)展關鍵。

　　

這兩個基本概念為「調(diào)制技術」（Modulation）與「多任務技術」（Multiplex）。其中調(diào)制技術是將模擬電磁波調(diào)變成不同的波形，來代表 0 與 1 兩種不同的數(shù)字信號，這樣才能利用天線傳送到很遠的地方（這里只談數(shù)字調(diào)制技術，不討論早期的 AM、FM 這種模擬調(diào)制技術）。多任務技術則是將電磁波區(qū)分給不同的使用者使用，由于手機必須設計給所有的人使用，當每支手機都把電磁波丟到空中，該如何區(qū)分那個電磁波是誰的呢？

　　

數(shù)字調(diào)制技術（Digital modulation）

　　

現(xiàn)在的手機是屬于「數(shù)字通訊」，也就是我們講話的聲音（連續(xù)的模擬信號），先由手機轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的 0 與 1 兩種數(shù)字信號，再經(jīng)由數(shù)字調(diào)變轉(zhuǎn)換成電磁波（模擬信號載著數(shù)字信號），最后從天線傳送出去，原理如圖3所示。

電磁波是連續(xù)的能量，如何利用電磁波替我們傳送這些0與1的數(shù)字信號呢？因此科學家發(fā)明了下列 4 種數(shù)字調(diào)制技術：

　　

1．振幅位移鍵送（ASK）：利用電磁波的「振幅大小」載著數(shù)字信號（0 與 1）傳送出去，振幅小代表 0，振幅大代表 1，圖4（a）所示。

　　

2．頻率位移鍵送（FSK）：利用電磁波的「頻率高低」載著數(shù)字信號（0 與 1）傳送出去，頻率低代表 0，頻率高代表 1，圖4（b）所示。

　　

3．相位位移鍵送（PSK）：利用電磁波的「相位不同（波形不同）」載著數(shù)字信號（0 與 1）傳送出去，相位 0° 代表 0，相位 180° 代表 1，圖4（c）所示。

　　

4．正交振幅調(diào)制（QAM）：同時利用電磁波的「振幅大小」與「相位不同（波形不同）」載著數(shù)字信號（0 與 1）傳送出去，這個圖形比較復雜有興趣的人可以參考這里。

　

（a）ASK：振幅小代表 0，振幅大代表 1；

　　

（b）FSK：頻率低代表 0，頻率高代表 1；

　　

（c）PSK：相位 0° 代表 0，相位 180° 代表 1。

　　

數(shù)字調(diào)制技術的優(yōu)點包括可以偵錯與除錯、可以壓縮與解壓縮、可以加密與解密、更好的抗噪聲能力等，我們所使用手機 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、無線局域網(wǎng)絡（Wi-Fi）、藍牙（Bluetooth）等都是使用數(shù)字調(diào)制，顯然數(shù)字通訊是發(fā)展的趨勢。

　　

傳送端將數(shù)字信號（0 與 1）轉(zhuǎn)變成不同的電磁波波形稱為「調(diào)制（Modulation）」；同理，接收端將不同的電磁波波形還原成數(shù)字信號（0 與 1）稱為「解調(diào)（Demodulation）」，所有的通訊裝置一般都必須同時支持傳送（調(diào)制）與接收（解調(diào)），因此科學家把負責調(diào)制與解調(diào)的組件稱為「調(diào)制解調(diào)器」，英文就把「Modulation」與「Demodulation」的字頭組合成一個新單字「Modem」，下回只要聽到 Modem 就知道它是在做通訊用的組件啰！

　　

復用技術（Multiplex）

　　

多人共同使用一條信息信道的方法稱為「復用技術」（Multiplex），簡單的說，天空只有一個，你的手機要丟電磁波出去，我的手機也要丟電磁波出去，兩種電磁波在天空中混在一起，接收端該如何區(qū)分那些是你的（和你通話的），那些是我的（和我通話的）呢？

　　

復用技術的目的就是讓所有人使用，而且彼此不能互相干擾，為了增加數(shù)據(jù)傳輸率，可能必須同時使用兩種以上的復用技術，才能滿足每個人都要使用的需求。無線通信常見的復用技術包括下列 4 種：

　　

1．時分多址（TDMA）：使用者依照「時間先后」輪流使用一條信息信道，如圖5（a）所示，目前 2G 的 GSM / GPRS 系統(tǒng)有使用 TDMA。

　　

2．頻分多址（FDMA）：用戶依照「頻率不同」同時使用一條信息信道，如圖5（b）所示，前面介紹每一對使用者必須使用「不同的頻率范圍」來通話，其實就是 FDMA，目前 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS 有使用 FDMA。

　　

3．碼分多址（CDMA）：將不同用戶的數(shù)據(jù)分別與特定的「密碼（Code）」運算以后，再傳送到數(shù)據(jù)信道，接收端以不同的密碼來分辨要接收的信號，如圖5（c）所示。目前 3G 的 UMTS 有使用 CDMA。

　　

4. 正交頻分復用（OFDM）：前面介紹過頻分多址（FDMA）是用戶依照「頻率不同」同時傳送數(shù)據(jù)，而 OFDM 原理類似，唯一不同的是必須使用彼此「正交」的頻率，這個原理比較復雜有興趣的人可以參考這里，目前 4G 的 LTE / LTE-A、無線局域網(wǎng)絡（IEEE802.11a/g/n）、數(shù)字電視（DTV）、數(shù)字音頻傳輸（DAB）有使用 OFDM。

（a）TDMA：依照時間先后輪流使用；

　　

（b）FDMA：依照頻率不同同時使用；

　　

（c）CDMA：將不同用戶的數(shù)據(jù)分別與特定的密碼運算。

復用技術的比喻

　　

復用技術比較復雜，我們可以想象在房子里，甲與乙要講話，丙與丁要講話，戊與己要講話：

　　

時分多址（TDMA）：甲與乙先講一句，再換丙與丁講一句，再換戊與己講一句，依此類推，大家輪流（分時）講話彼此就不會互相干擾。

　　

頻分多址（FDMA）：甲與乙在客廳講話，丙與丁在書房講話，戊與己在臥室講話，大家在不同的房間（分頻）講話彼此就不會互相干擾。

　

碼分多址（CDMA）：甲與乙用中文講話，丙與丁用英文講話，戊與己用日文講話，這樣雖然大家在同一個房子里講話，各自仍然可以分辨出各自不同的語言，當甲與乙用中文講話時，丙與丁的英文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會造成甲與乙解讀中文的困擾；同理，當丙與丁用英文講話時，甲與乙的中文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會造成丙與丁解讀英文的困擾，在這個例子里「用不同的語言講話」就好像「用不同的密碼加密」一樣。

　　

4G 與 5G 的技術發(fā)展目的：增加頻譜效率與帶寬

　　

「頻譜效率」（Spectrum efficiency）是單位帶寬（Hz）具有多少數(shù)據(jù)傳輸率（bps），可參考表 1 的說明，當單位帶寬的數(shù)據(jù)傳輸率高，代表頻譜效率高，例如：LTE 可以提供上傳 2.5bps/Hz，下載 5bps/Hz；LTE-A 可以提供上傳 5bps/Hz，下載 10bps/Hz，顯然 LTE-A 的頻譜效率比 LTE 高。因此 4G 與 5G 技術的發(fā)展只為了兩個目的：

　　

增加頻譜效率

　　

由于相同的頻率只能使用一次，因此必須利用更新的調(diào)制與復用技術來增加頻譜效率，讓相同帶寬的電磁波具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率，也就是把更多的 0 和 1 塞進相同帶寬的電磁波里來傳送。

　　

增加帶寬

　　

由于目前的電磁波頻譜里 10GHz 以下的電磁波大部分都已經(jīng)被用掉了，頻譜效率再怎么提高總有技術上的極限，因此科學家只能去挖更高頻還沒有被使用的電磁波來給 5G 手機用，大家現(xiàn)在明白為什么 5G 技術會想要使用頻率 30GHz（相當于波長 10 毫米）的「毫米波（Millimeter Wave）」了吧！

注：表 1 中的頻譜效率是直接以數(shù)據(jù)傳輸率除以信道帶寬，但是不同世代的通信系統(tǒng)使用不同的技術，這個并沒有考慮進去，因此表中不同世代應該分開來比較才有意義?！?/p>

注：線路交換與分組交換

　　

線路交換（Circuit switch）：是指傳送端與接收端之間先建立一條專用的聯(lián)機再進行通信，傳統(tǒng)的語音通信都是屬于線路交換，例如：國內(nèi)電話與國際電話、移動電話等在通話之前都必須先撥號，等交換機將電話接通之后才能通話，就是使用線路交換的方式，通常費用是以「使用時間」計算，例如：撥打市內(nèi)電話或移動電話，使用越久費用越高。

　　

分組交換（Packet switch）：是指傳送端與接收端之間共享一條線路，必須先將要傳送的數(shù)據(jù)切割成許多較小的「封包（Packet）」再進行通信，目前的「數(shù)據(jù)通信（Datacom）」都是屬于分組交換，用戶要傳送的數(shù)據(jù)越多，則封包數(shù)目越多，傳送的時間越長，計算機網(wǎng)絡在通信之前并不需要撥號，只要將網(wǎng)絡線連接即可使用，就是使用分組交換的方式，通常費用是以「數(shù)據(jù)傳輸率」來計算，不同數(shù)據(jù)傳輸率費用不同，但是使用時間沒有限制。