作者：陈皓
出版社：电子工业出版社
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从应用到创新：手机硬件研发与设计试读：
前言
有消息报导，截至2013年，全球手机用户突破60亿大关，而中国拥有大约11.5亿手机用户。这是一个极其庞大的数字，也是一个极其庞大的市场！随着国家对信息产业的重视，中国目前已经成为全球第一大手机设计与制造、消费国。在国内，从事手机研发、设计、制造、物流、销售、维修等产业的人员，几乎可以用“多如牛毛”来形容。
但在通信行业有句老话：“一流公司做服务，二流公司做标准，三流公司做产品，四流公司做制造。”所以，尽管我们为全球贡献了绝大多数手机，但产业链的核心却并不由我们掌握。且不说做服务的一流公司、做标准的二流公司，就连做产品的三流公司，似乎都没叫得响的中国品牌。
看看吧，从1G时代不可一世的摩托罗拉，到2G时代的北欧双雄爱立信与诺基亚，再到 3G时代几乎滥大街的苹果和三星，它们除了打上了Made in China的Logo外，跟中国设计有啥关系？
出现如此尴尬的局面，原因肯定是多方面的。但作为一名从事手机硬件研发近十年的工程师，笔者想说的是：手机不仅仅是功能，更是性能！在业内，很多工程师都觉得做手机硬件设计，入门很容易（上海、深圳有众多的Design House，研发人员水平参差不齐，却似乎个个都能设计手机），但要把硬件做好、做手机赚钱，却是件非常困难的事情。这其中，除了品牌、市场等原因外，手机性能的不足也严重影响了产品的赢利。对于电子爱好者或维修工程师来说，能看懂原理图，知道各模块功能及大致的信号处理流程足矣。但对于手机硬件研发与设计工程师来说，如果还停留在硬件功能分析的水平上，就显得太不专业了。那么，如何将通信、电路理论融入到手机硬件设计中呢？
笔者记得自己在入行之初，一直苦于找不到一本讲述手机硬件设计的优秀教材。工作若干年后，笔者虽然也读了不少参考资料，但总感觉这些资料要么过于简单，基本上是手机电路的介绍，且更多偏向维修；要么内容过于抽象，就像大学教材的翻版，与手机硬件研发具体工作的相关性很小，不实用。于是，笔者萌发了撰写一本有关手机硬件设计方面书籍的冲动。又过了若干年，市场上讲述手机软件设计的书籍越来越多，可讲述硬件设计、符合笔者内心愿想的那本书，却依然是零！于是，在笔者的心底，撰写一本讲述手机硬件设计书籍的愿望更加强烈！
心动不如行动！现在，呈现在各位读者朋友面前的，就是笔者用了整整一年时间才收集、整理、撰写、绘制、校对完成的“产品”——《从应用到创新——手机硬件研发与设计》。
尽管有“王婆卖瓜，自卖自夸”的嫌疑，但笔者还是相当自信：至少在目前来看，这本书是由国内手机研发一线工程师所撰写的同类教材中的唯一一本，无论引用资料、技术背景还是故障分析，均为研发过程中的实际案例，具有很强的理论与实践指导意义，远非一般维修类书籍所能比拟的。通过入门篇、提高篇、高级篇与案例分析篇四个部分，并结合各种国际/国内规范，全书由浅入深地分析了整个手机硬件设计与调试的全过程，涉及移动通信系统分类与架构、PCB与DFX基础知识、手机电源系统、时钟系统、音频信号处理、FM接收机、RF与天线、ESD防护、色度学与图像处理、信号完整性以及诸如TTY、HAC等各种（新）功能。
整体上看，全书难度等级划分大致如下（以电子/电气/通信专业本科四年为参照）：入门篇大约是二年级到三年级水平（也适合普通电子爱好者），提高篇大约是三年级到四年级水平（同时适合维修工程师），高级篇要求四年级到研究生一年级基础课水平（适合基础知识较为扎实的研发工程师）。所以，不同知识层次的读者，对手机硬件设计感兴趣的爱好者或者从业人员，都可以从本书中获得收益，这也是笔者写作此书的最大动力所在。
由于提高篇与高级篇部分章节内容对一些读者来说有一定难度，为了吸引这部分读者的阅读兴趣，本书在文字叙述、插图配表上尽量做到直白、丰富而不失严谨，并在各章节正文中记述了笔者从业多年以来所经历的各种奇闻异事，但为避免不必要的麻烦，正文中会将人名、公司名等真实名称隐去，而以代号表示。在书末附录中，还收录了一篇《苦逼IT男的那些事儿》，记录了笔者对自己这些年研发工作的一番自嘲。
另外，为了便于讲授，并与实际操作衔接，对不符合我国国家标准的图形和符号未做改动。在此，特别加以说明。
明张宗子（岱）的《夜航船》有一则故事：
昔有一僧人，与一士子同宿夜航船。士子高谈阔论，僧畏慑，拳足而寝。僧听其语有破绽，乃曰：“请问相公，澹台灭明是一个人、两个人？”士子曰：“是两个人。”僧曰：“这等，尧舜是一个人、两个人？”士子曰：“自然是一个人！”僧乃笑曰：“这等说来，且待小僧伸伸脚。”
笔者每每读书，见前言中必有“限于作者水平，书中不妥或错误之处在所难免，欢迎读者批评指正”之类的话，感觉作者好不啰嗦。如今自己写书，方才感受到：前人诚不我欺焉！所谓言多必失，衷心欢迎各位读者朋友伸伸脚！
最后，笔者要特别感谢自己的太太——汤堃，是她一直在生活上关心我、照顾我，使我可以全身心地投入到工作与写作中！没有她的大力支持，就不会有本书的诞生。笔者还要感谢自己的徒弟李成龙，他提供了部分章节的参考资料，并帮助笔者校对了全部书稿。另外，笔者想对自己的同事兼朋友董行、孙涛、吴凡、王猛、曾锋、曹荣祥、石英锋、马杰、赵彦峰……说一句：“与你们共同工作的日子非常美好！”陈皓2014年7月于南京入门篇【摘要】本篇主要介绍移动通信的发展历史及关键技术，手机电路的组织架构与基本原理，分立元件与PCB，可生产性等方面的知识，大部分内容仅仅做功能分析，只定性不定量，满足入门者的需要。第1章 移动通信发展史及关键技术
随着移动通信技术的迅速发展，手机已经渗入到人们生活的方方面面。过去，我们仅仅用手机打电话，然后用手机收发短信、玩游戏、拍照片，再后来用手机导航、上网、下载视频等。如今，我们可以在诸如商场、车站、饭店等公共场所看到许许多多低头摆弄手机的年轻人，那专注的眼神，那痴迷的情感，恐怕也只有恋人之间的深情凝望才能够形容。
既然手机有如此大的魔力，那么手机以及移动通信系统到底是如何演进发展的呢？
这便是本章的目的。1.1 无线电通信发展史
1820年，丹麦物理学家奥斯特（Oersted，1777—1851）发现了电流使小磁针偏转的现象，提出了电流的磁效应。（从小到大，笔者只知道三个丹麦人：安徒生、奥斯特、波尔。）
1820—1821年、法国物理学家安培（Ampere，1775—1836）、阿拉果（Arago，1786—1853）、萨伐尔（Savart，1791—1841）通过一系列实验与理论，陆续揭示了电与磁之间的联系。（一群法国人，吃饱了撑的。）
1827年，德国物理学家欧姆（Ohm，1787—1854）发现了著名的欧姆定律，并提出了电流与电阻这两个术语。（据说，他早先只是个中学物理教师。）
1831年，英国物理学家法拉第（Faraday，1791—1867）首次通过实验证实了电磁感应现象，创造性地提出了“力线”的概念，陆续建立了电学与磁学的基本理论，标志着人类开始真正认识电磁现象。（工匠出身，心灵手巧的典型代表。）
1864年，英国物理学家麦克斯韦（Maxwell，1831—1879）提出了著名的麦克斯韦电磁场方程组，通过四个积分/微分方程、三个物质本构方程、两个边界条件，概括了一切宏观电磁现象，将法拉第的“力线”概念推广到“场”概念，预言了电磁波的存在并断言光也是一种电磁波，开启了人类认识电磁现象的新纪元。（历史有时就是这样巧合！法拉第提出电磁感应原理的那一年，麦克斯韦诞生了；伽利略去世的那一年，牛顿落地了。）
1888年，德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）首先用实验证实了电磁波的存在，为人类产生、利用电磁波提供了可能。（可惜，比麦克斯韦还短命。）
1897年，意大利电气工程师马可尼（Guglielmo Marchese Marconi，1874—1937）在陆地与一艘轮船之间进行了世界上首次无线电消息传输，成为移动通信的开端。到1901年，马可尼在英国与纽芬兰之间（3540 km），成功完成了跨大西洋的无线电通信，使得无线电真正进入实用阶段。（这位老兄在1909年获得诺贝尔物理学奖，后来“一战”时总管意军所有电台。）
1904年，英国电气工程师弗莱明（J. Fleming）发明了世界上第一只电子管，也就是人们所说的真空二极管。（笔者用过的唯一一种真空二极管是北京电子管厂生产的6Z4小功率整流管。）
1906年，美国电气工程师德·福雷斯特（D. Forest）改进了弗莱明的二极管，发明了世界上第一支真空三极管，标志着放大电路的粉墨登场。（听说过6N11和6P1吗？做甲类小胆机不错。）
1906年圣诞节，美国物理学家费森登（Fessenden，1866—1932）成功实现了世界上首次无线电广播，并提出了现已广为人知的无线电调制解调原理。自此，人类进入大规模应用无线电通信的时代。（笔者真的对这位老大不熟悉。）
1947年，美国贝尔实验室的威廉·肖克雷（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃特·布拉顿（Walter Brattain）发明了世界上第一支晶体管，人类终于进入半导体时代。（获诺贝尔奖，当之无愧。）
1948—1949年，美国数学家、信息论的创始人克劳德·埃尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon，1916—2001）陆续发表了两篇著名的论文：《通信的数学原理》（“The Mathematical Theory of Communication”）与《保密系统的通信原理》（“Communication Theory of Secrecy Systems”）。在论文中，香农首次提出了用熵来度量信息量，给出其数学表达式，解决了信道容量、信源统计特性、信源编码、信道编码等一系列基本技术问题，由此成为信息论的奠基性著作。（就是这个家伙把保密通信从艺术降级为科学。）
1949年，美国数学家、控制论奠基人，诺伯特·维纳（Norbert Wiener，1894—1964）研究了如何从噪声观测中最优地估计源信号的设计问题，提出了著名的维纳滤波，并由此发展出一系列自适应滤波器理论，已被广泛应用在移动通信、雷达、声呐、系统辨识等领域。（笔者读研究生那会儿，被他那套玩意折腾得够呛。）
1958年，美国德州仪器公司的工程师基尔比（Kilby，1923—2005）发明了世界上第一块集成电路芯片，从而使电子技术的发展进入到一个全盛时期。2000年，基尔比被授予诺贝尔物理学奖，评审委员会对其评价极其简单：“为现代信息技术奠定了基础”。（歌功颂德只需一句话足矣。）
1973年4月，美国摩托罗拉公司工程师马丁·库帕（Martin Lawrence Cooper，1928—）发明世界上第一部民用手机，体积为22 cm×12 cm×4.4 cm，重达1.2 kg，而通话时长仅35分钟。从今天的角度看，这种手机实在是过于笨重，但它毕竟是划时代的产品。因此，马丁·库帕也被誉为现代手机之父。（不过，这位手机之父无法接受滥大街的iPhone。）
1991年7月，诺基亚制造并展示了全球第一台GSM制式的移动电话，从此人们正式进入大规模移动通信时代。（2G时代的枭雄，到如今却是裁员的裁员，出售的出售，令人唏嘘。）
从1820年奥斯特发现“电生磁”，1831年法拉第发现“磁生电”，经麦克斯韦、赫兹、马可尼、弗莱明、香农、基尔比等杰出人物以及大量科技人员的辛勤努力，历经150余年时间，移动通信所需要的电磁场理论、信息处理理论、半导体技术全部构建完成，移动通信正式步入大规模应用阶段。1.2 移动通信网
一般而言，手机、对讲机、电台、广播、电视等所有基于无线电通信的系统都属于移动通信，但手机与广播或者电台的点对点通信有着显著区别。如果不加入网络，没有运营商的网络支持，手机用户之间是无法实现通信的。
所以，基于手机的移动通信系统必须要进行组网，如图1-2-1所示。图1-2-1 移动通信网路组成框图1.2.1 交换子系统（SSS）
交换子系统负责整个通信系统的运行、管理，它可以在任意两个用户（或者信道）之间建立或者释放一条通信链路。在移动通信系统中，交换子系统包括移动交换中心MSC、访问位置寄存器VLR、归属位置寄存器HLR、设备号识别寄存器EIR、鉴权中心AUC等。
交换系统可以看成一个移动交换分局，其核心部分为移动交换中心MSC。1．移动交换中心（MSC）
MSC是一个由计算器控制的全自动移动系统，它与基站之间通过光纤进行通信，一个 MSC可以管理数十个基站，并组成局域网。MSC还可以与其他网络连接，如公用电话交换网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）等。每个MSC都有一个访问位置寄存器（VLR），以及归属位置寄存器（HLR）、设备号识别寄存器（EIR）、鉴权中心（AUC）。
MSC可以支持各种呼叫业务，如：（1）本地、长途及国际呼叫。（2）通过MSC进行手机用户与市话、长途之间的呼叫，控制不同蜂窝小区运营。（3）支持手机的跨区切换、漫游、登网和计费。2．访问位置寄存器（VLR）
访问位置寄存器（VLR）是一个存储来访用户（又称为“拜访客户”）信息的数据库。手机的不断移动导致其位置信息不断变化，这种变化的位置信息就在VLR中进行登记。
如手机原先处于A小区，后来漫游至B小区。于是，手机必须向B小区的VLR申请登记。VLR得到申请后，则去HLR查找相关信息，然后给该手机分配一个新的漫游号，并通知 HLR修改该手机的位置信息，以方便其他手机呼叫此用户时提供路由信息。由此可见，移动状态下的手机在VLR中进进出出，VLR中所记录的位置信息处于随时更新状态。
所以，VLR是一个动态寄存器。3．归属位置寄存器（HLR）
HLR用于存储本地用户位置信息。当用户购买手机后第一次使用SIM卡加入移动网络，必须通过MSC在当地的HLR中登记注册，把相关信息存储在HLR中。当呼叫一个不知道处于哪一地区的手机时，均可由HLR获得该手机原始位置参数，获得它的当前状态，从而建立起通信链路。
可见，HLR存放手机的归属信息，又称为归属位置寄存器，它是一个静态寄存器。4．鉴权中心（AUC）
鉴权中心（AUC）用于识别用户身份，只允许授权用户接入网络并获得服务。AUC给每个用户一个认证参数，供VLR进行认证。5．设备识别号寄存器（EIR）
每台手机都有一个国际移动设备识码（IMEI），设备识别号寄存器（EIR）通过IMEI码监视和鉴别移动设备，拒绝非法移动台登网。
显然，我国几大运营商没有利用IMEI码对手机进行鉴别。否则，也不会有前几年山寨机的大泛滥了（IMEI码可是要花钱买的噢）。1.2.2 基站子系统（BSS）
基站，又称基地台，它是一个能够接收和发射无线电信号的固定电台，负责与手机之间进行通信联络。基站子系统（BSS）包括基站收发器（BTS）和基站控制器（BSC）。1．基站收发器（BTS）
它由若干部收发信机组成，每部收发信机占用一对双工收发信道，如业务（话音）信道（TCH）及控制信道。
基站拥有的收发信机数量相当于有线电话的“门”数，基站的收发信机越多，用户“抢线”就越容易。一般，一个基站收发器大约有数十部收发信机。2．基站控制器（BSC）
基站控制器负责基站收发信机的运营、呼叫管理、信道分配、呼叫持续等功能。一个BSC可以控制管理多达256个基站收发器。
一个基站控制器（BSC）和数十个基站收发器（BTS）组成一个基站，每个基站为一定覆盖范围内的手机提供通信网络服务，构成一个蜂窝小区。1.2.3 操作维护子系统（OMS）
操作维护子系统（OMS）又称操作维护中心（OMC），负责对全网进行监控和操作，如系统报警、故障诊断、话务量统计、资料传递等。
OMS一般处于移动交换中心（MSC），也可以看作交换子系统的一部分。1.2.4 移动电话机（MS）
移动电话机（MS）在早期是以车载台、便携台的形式出现的，现在则为大众化的移动电话机——手机所取代，车载台仍有少量生产，主要应用于通信或军事部门。
手机，主要由射频部分（一般称为Radio Frequency，RF）、逻辑控制与音频处理（一般称为Base Band，BB）两大部分组成。针对不同的通信网络系统，手机的电路结构有所不同，但基本架构都是RF+BB，且电路部分的基本原理也区别不大。而真正有本质区别的部分（如BB的多址接入、RF的线性/非线性功放），对于普通用户来说，都是完全屏蔽的，也不为用户所感知。1.3 多址接入
我们有时候会听到某某人说，我的手机是3G的，你的是2G的；或者有人说，我的手机是CDMA的，你的是GSM的。那么，CDMA、GSM到底是什么意思？
其实，CDMA的全名为Code Division Multiple Access，指的是一种多址接入技术；GSM的全称为Global System for Mobile Communications，即全球移动通信系统。从字面上看，CDMA显然是指一种技术手段，而GSM纯粹就是个名字，两者真的是风马牛不相及。
但是，很多时候，我们都把这两个名词放在一起讲，好像它们之间存在对应关系似的。事实上，我们在说GSM的时候，更多的是在强调GSM所采用的TDMA多址接入技术（确切地讲，GSM是TDMA+FDMA的结合）。所以，让我们首先看看什么叫多址接入。
说白了，多址接入的唯一目的就是在不增加其他投入的情况下，尽可能地增加用户数量，使众多用户可以共享通信信道，并确保他们之间尽可能不会相互影响。显然，这也是电信运营商所期望的事情。
目前，移动通信采用的多址接入方式有FDMA（Frequency Division Multiple Access，频分多址）、TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）、CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）三种基本类型。实际中，常常是三种基本方式的组合，如GSM系统采用 TDMA+FDMA组合的方式。
以下，我们对这几种多址接入技术进行简单介绍。1.3.1 频分多址（FDMA）
我们知道，无线电通信是划分频段的。不同的通信系统占用不同的频段，比如我国的FM调频广播，其频段为88～108 MHz，而不同的广播电台可以使用该频段内的不同频点，比如南京音乐台为105.8 MHz，江苏文艺台为97.5 MHz，等等。所以，用户想要收听不同的广播电台，只需要把收音机调谐到该电台所对应的频点就行了，这便是FDMA。
同样道理，对于移动通信用户，不同用户占用不同的频点（实际由系统分配），就可以实现互不干扰。早期的模拟手机（俗称“大哥大”，常见于20世纪90年代的香港黑帮电影）采用的就是这种接入方式。
显然，该种接入方式的用户容量是极其有限的。我们知道，每个电台都是有一定带宽需求的，而为了保证不同电台之间不会相互干扰，电台与电台之间的最小频率间隔必须大于电台的带宽。比如我国规定，FM广播电台的带宽为200 kHz，电视发射台的带宽为8MHz，换言之，FM广播电台之间的最小频率间隔为200 kHz，电视发射台之间的最小频率间隔为8 MHz。那么，对于FM广播电台来说，一个城市或地区中可以同时并存的最大电台数不会超过100个，如下式：
对于FDMA的移动通信用户来说，也存在同样地问题。1.3.2 时分多址（TDMA）
我们已经知道，FDMA所能容纳的用户数量是有限的，那么如何改进？
假定某小区有1000个注册用户，系统采用FDMA接入方式，最多可以支持100个用户同时通信。可以想象，一般情况下，1000个注册用户同时通信的可能性是很小的，平均下来，同时通信的用户数量可能只有20～30个。
但是，对于这1000个用户来说，他们随时都可以接通电话，所以在他们看来，系统所能支持的最大用户数量就是1000，而不是100。于是，大家选择在不同的时间通信，系统的等效容量就可以从100上升至1000。
进一步演化这个概念，就产生了所谓的TDMA多址接入技术，即采用时分技术实现多址接入。假定现在有两个人在同时通信，并且他们占据同一个频点。我们可以把时间分片，划定一个个短小的时隙片段，并设定第一个人在时间片1（称为Slot1）进行通信，而第二个人在时间片2（称为Slot2）进行通信，并让Slot1与Slot2反复切换。只要时间片足够短，同时通信的两个人就不会感觉到时间片存在切换现象，就好像自己独占了通信通道一样。
事实上，类似的概念在计算机操作系统中早已有应用，如早期的UNIX系统采用分时轮转实现多任务切换。话说作者写作此段文字的时候，一边开着Word敲键盘，一边听着MP3，一边从网上下载资料。微观上，在一个时间片内，CPU只能运行一个任务，但宏观上，CPU却在同时运行多个任务。只要时间片足够短（当然，也不能过短，因为CPU切换任务是需要额外时间开销的），就足以让人造成错觉，似乎CPU在同时运行多个任务。这便是操作系统教材中讲的并发多任务概念。
学过信号系统课程的读者应该还有印象（没有印象的，建议回学校把学费要回来），TDMA技术的理论依据其实就是著名的香农采样定理，也称奈奎斯特采样定理，即一个频带受限信号可以用采样频率为两倍带宽的抽样值唯一地确定。因此，第一个用户仅仅在第一个抽样瞬间占用信道，第二个用户仅仅在第二个抽样瞬间占用信道，然后是第三个用户、第四个用户，依次下去。于是，原本采用FDMA技术的移动通信小区，在采用FDMA+TDMA技术后，可以容纳的同时通信用户数量迅速增加。
当今的GSM系统便是如此。1.3.3 码分多址（CDMA）
CDMA（码分多址）则是一种更加高级的接入方式，并成为各个3G标准的核心技术。
在CDMA系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同（如FDMA）来区分，也不是靠时隙不同（如TDMA）来区分，而是靠不同的编码序列来区分。如果从频率域和时间域同时观察，多个CDMA用户的信号是互相重叠的。图1-3-1是FDMA、TDMA、CDMA三种多址接入方式的示意图。图1-3-1 FDMA、TDMA与CDMA的多址接入方式
一直以来，有个关于FDMA、TDMA、CDMA的形象比喻。联合国开大会时，男人的声调低沉，女人的声调尖锐，就好比是FDMA，通过频率来区分男女；美国说话的时候，英国不说话，英国说话的时候，澳大利亚不说话，就好比是TDMA，大家占用不同的时隙通信；美国人说英语，中国人说汉语，法国人说法语，就好比是CDMA，大家用不同的语言同时交流而互不影响，如图1-3-2所示。图1-3-2 用不同语种比喻CDMA
这个比喻很形象，对FDMA和TDMA的解释也很到位，唯独对CDMA码分多址技术解释不足。CDMA的理论依据是信号的正交分解，关于这部分知识，需要读者具备相当的数学基础，笔者就不展开讨论了。考虑到很多专业性的解释过于艰涩难懂，笔者打一个有趣的比方来帮助读者理解CDMA技术的核心，只需高中数学基础即可。
在笛卡儿三维空间中，每一个向量或者说每一个空间点，都可以由三个方向的坐标值唯一地确定。但是，我们有没有想过，为什么每一个向量都是由三个方向的坐标值唯一地确定，而不是仅由一个（如X轴方向），或者同时由两个方向（如X轴和Y轴）来确定呢？
直观上，三个坐标轴两两垂直，并且任意一个轴的坐标并不能由另外两个轴的坐标来推测。用数学语言来描述，就是这三个坐标轴相互正交，即任意两个轴之间的坐标值无任何相关性。说白了，就是它们之间不具备任何“因为……所以……”的推断。
于是，我们假定三维空间中有3个用户，分别是阿基米德（Archimedes）、牛顿（Newton）和高斯（Gauss），这哥仨被公认为史上最著名的三大数学家。阿基米德仅仅站在X轴横向移动，牛顿仅仅站在Y轴纵向移动，高斯则仅仅站在Z轴垂直移动。不难想象，阿基米德的运动方程为 Sa（t）=（X（t）， 0，0），牛顿为Sn（t）=（0，Y（t）， 0），高斯为 Sg（t）=（0，0，Z（t）），如1-3-3图所示。图1-3-3 三大数学家在各自的坐标轴上运动
一个闲来无事者，比如笔者本人，观察他们三兄弟的运动轨迹，得到一个总的运动方程：
那么应该如何区分他们三兄弟各自的运动轨迹呢？很简单嘛，我知道阿兄只会在X轴运动，所以阿兄的运动轨迹如下：
其中，⊙表示向量内积运算，即Sia（t）=X（t）× 1 + Y（t）× 0 + Z（t）× 0
事实上，由于加性噪声的影响，最终我所得到的阿兄运动轨迹为
但只要随机噪声（na1，nb1，nc1）不超过某个门限，就不会对我的观察产生重大影响。在通信原理课程中，该内容又称为“信号检测”。同理，牛兄和高兄的运动轨迹如下所示：
通常情况下，我们可以认为随机向量（na1，nb1，nc1）、（na2，nb2，nc2）、（na3，nb3，nc3）为独立同分布，也即它们满足同一种概率分布形式，但各自有各自的取值，相互间没有关联。在CDMA码分多址接入技术中，阿兄、牛兄、高兄就好比是三个同时通信的用户，三兄弟各自的运动方程就好比三个用户各自的通信内容，观察者——我则代表系统，而我所看到的总运动方程则代表系统接收到的总信息。
我知道三兄弟各自占据的坐标轴，就等于系统给三个用户各自分配了一个唯一的正交编码。利用正交坐标轴/正交编码，我/系统就可以轻松分辨出各兄弟/各用户的运动轨迹/通信内容。
将三维正交空间推广至多维正交空间（该死的数学总能办到），则可以轻松实现多用户的同时接入。当然了，实际的CDMA技术远比这个比喻要复杂得多，但无论如何，其理论基础就是信号的正交分解。
从上述比喻我们还可以推断出CDMA的一些特点。（1）CDMA系统容量大
GSM系统在FDMA基础上采用TDMA技术后，可以成倍地扩充系统容量。但无论如何，系统容量最终还是要受到频带宽度和时隙长度的限制。而CDMA技术就很方便了，原先有N个用户在通信，现在又增加了一个，好吧，那就把N维正交空间扩展为N+1维正交空间，相当于再增加一个正交编码组不就搞定了！这便是CDMA多址接入技术所谓的软容量概念。
确切地讲，CDMA软容量分为两种情况。一种是适当降低业务信道（一种逻辑信道，可参考1.4.2节的信道编码，有关于物理信道、逻辑信道的简单解释）的误码性能，从而在短时间内提供稍多一些的可用信道数。另一种是当业务信道也接近饱和以后，则占用寻呼信道，极端情况下，甚至占用同步信道，把寻呼信道和同步信道统统作为临时的业务信道使用，从而扩充系统容量（由于CDMA系统中各个逻辑信道之间也是相互正交的，所以该方法的确有点增加/抢占正交编码的意味）。
如果我们把眼光扩展到多小区的CDMA系统，则可以通过各小区负荷量的动态调整来扩充系统总容量。重负荷小区降低本小区的导频信号功率，等效为缩小其小区覆盖范围；而轻负载小区则可以提高导频信号功率，等效为扩大其覆盖范围。从整个系统上看，轻/重负载小区实现了动态覆盖，自然可以增加系统的总容量。所以，该方法也被称为“小区呼吸”功能。不过，在通常情况下，CDMA系统软容量指的是前述两种情况，与小区呼吸无关。
而作为FDMA与TDMA系统，如果频带和时隙被全部占用，那么即便再增加一个用户，也是不可能的。当然了，CDMA系统容量也不可能无限增加。毕竟，增加用户会产生多址干扰，当干扰到达一定阶段时，就会对系统正常工作产生严重影响。（2）CDMA可实现软切换
无论FDMA、TDMA还是CDMA系统，当用户在通话状态下从一个小区移动到另一个小区后，为了保证通话连续，都必须进行小区切换。在CDMA系统中，有硬切换（Hard Handoff）和软切换（Soft Handoff）两种方式。
硬切换是指移动台MS（即手机）在不同频道之间的切换，比如手机在同一个MSC的不同频道之间或者不同MSC的不同频道之间进行切换。这些切换需要手机变更收发频率，即先切断原来的收发频率，再搜索、使用新的频道。硬切换会造成通话的短暂中断，当切换时间较长时（如大于200 ms），将会影响用户通话。第一代模拟通信系统（采用FDMA方式）与第二代GSM数字通信系统（采用FDMA+TDMA混合方式）均采用硬切换，所以只要移动台进行小区切换，就一定存在“掉话”风险。
但CDMA系统还有一种软切换方式。当小区中的所有用户均使用同一组收发频率或者不同基站的扇区均使用同一组收发频率时，若移动用户开始越区切换，则无须进行频率切换，只要对PN码（即前文所说的正交码）的相位做相应调整即可。不仅如此，CDMA系统的手机采用Rake接收机（一种抗多径衰落的算法），可以使手机与新基站建立业务链路的同时，并不中断与原来服务基站的联系，直到手机接收到的原基站信号低于某个门限时，才完全切断与原基站的联系。换言之，软切换是先接通后切换的技术。于是，采用软切换方式的手机就不存在“掉话”风险。（3）CDMA无TDD Noise问题
所谓TDD，即时分双工Time Division Duplex的缩写。GSM系统采用TDMA技术，宏观上，用户似乎一直占用着信道；但微观上，用户仅仅是在一个个时隙中进行数据传输，其余大部分时间都保持空闲。这样做的好处一方面是增加了系统容量，另一方面可以有效降低手机RF发射机的平均功率（毕竟，手机不同于基站，它是靠电池供电的）。但同时带来一个副作用，就是令我们手机硬件研发人无比头疼的TDD Noise问题（有时也被称为TDMA Noise）。对于手机来说，RF PA属于大功率器件，在某个固定的Slot中发射数据，而其余Slot保持空闲，会产生一连串的Burst，从而造成系统电源（特别是电池电压Vbat）在对应的Slot片段中出现剧烈波动，进而导致整个系统电源的波动，而且发射功率越大，影响也越大，并最终影响到其他敏感信号线。若干扰到I/Q信号，则导致各种RF指标不合格；若干扰到Audio信号，则产生所谓的TDD Noise，使本机听筒产生“吱吱吱”的噪声或者影响上行链路导致对方听到“吱吱吱”的噪声。该现象为GSM系统所固有，只能优化，不能消除，非常考验手机研发人员的设计水平。但CDMA技术不存在Burst，自然也就没有TDD Noise之虞了。关于这个问题，我们还将在提高篇与案例分析篇中进行深入探讨。
相较于FDMA与TDMA技术，CDMA码分多址还有频带宽、保密性好、平均发射功率低等优点，但CDMA系统远较FDMA与TDMA复杂，尤其是对功率控制要求非常高（理想情况下，CDMA系统中各用户地址码是完全正交的，但实际上是不可能的。或多或少的相关性将导致接收机在解调过程中，把其他用户的信息叠加在本用户数据上，从而导致多址干扰，并且其他用户的发射功率越大，多址干扰也越强。所以，为了扩充系统容量，必须施加严格的发射机功率控制）。限于篇幅，笔者不再赘述，有兴趣的读者可以查阅相关资料（网络上到处都是）。1.4 编码与数字调制
如今，手机的功能早已大大超出通话、拍照、导航、上网、游戏等，但不管手机将来还会发展出什么新功能，语音通话还是其最核心、最本质的需求。试想，手机无法通话，世界将会怎样？
所以，我们有必要了解一下手机的语音编码、信道编码与数字调制技术。首先，我们看看上行（发送）语音方向的处理流程，如图1-4-1所示。图1-4-1 上行方向语音处理流程
原始模拟语音信号经Microphone拾取、放大、采样、量化后进行语音编码，然后经信道编码，最后经数字调制，再把信息传送RF（Radio Frequency）模块发射出去。至于下行方向的语音处理流程，则相当于上行方向的逆过程。
前面我们说过，手机硬件分为两大块，一块是Base Band部分（BB），另一块是Radio Frequency部分（RF），如图1-4-1所示。在多数手机研发企业中，硬件部门（HW Department）也是按照BB和RF划分的，一些公司还成立有专门的天线小组、音频小组等。不过，根据笔者这些年的从业经历来看，人为地把HW割裂成BB和RF两部分，其实是一种非常糟糕的做法！大量的BB工程师完全不懂RF，而很多RF工程师又不了解BB，这样的团队，怎么可能设计出优秀的产品？依笔者的看法，作为一名合格的HW工程师，对BB和RF都要懂一些，只是侧重点不一样，而如果要做一名优秀的HW工程师，则必须两者都要精通。1.4.1 语音编码
话筒，俗称麦克风（Microphone），是一种声/电转换装置，它将说话人的连续语音信号转变为相应的连续电信号，经模拟放大器放大后，送至A/D芯片进行采样（连续时间变成离散时间）与量化（连续信号变成离散信号），最后再经编码器进行语音编码。在通信系统中，语音相当于信源，所以语音编码也被称为“信源编码”。1．统计编码
最简单的编码方式就是直接对量化数据采用原码方式，其实就是不编码。比如，一个2 bit精度的A/D转换器，量化结果为00～11，对应的十进制就是0～3。如果不对其进行编码，就相当于把00～11直接送到后级电路进行传输。
那为什么要编码？对上述00～11这四个数字该如何编码？举个例子就一目了然喽。
就像买彩票，中大奖的概率是相当低的，中小奖的概率肯定会高一些，但空门的概率肯定最高（否则发行彩票干嘛？）！同样，00～11这四个数字各自出现的概率也很可能不一样，假定00出现的概率为1/2，01为1/4，10和11均为1/8。
如果不编码，则平均码长为
如果进行编码，并规定出现概率高的分配短码字，出现概率低的分配长码字，并且按照如下规则进行编码：
再来重新计算平均码长
显然，按某种规则编码后的平均码长要短于不编码的结果。于是，传输同样地信息，编码可以实现数据压缩，提高系统容量。不过，统计编码方式在图像处理领域用得较多，通信系统不常见。毕竟，预先判断各个信息的出现概率是很困难的。2．参量编码
前面所说的数据采样与量化可以看成一种波形编码，即对语音信号波形本身进行编码，信息压缩率有限。而参量编码则是一种信源编码，它是以语音信号产生的数字模型为基础，提取若干特征参量（也称特征值），然后对这些特征参量进行编码的方法。
听起来很拗口？好吧，还是打个比方来揭示参量编码的核心。
假定要传输一个正弦波信号Asin（ωt+θ），我们可以直接对该正弦波进行采样，然后把这些采样值依次传输给对方，这相当于波形编码。但显然，这个方法实在算不上高明！如果我们知道了这个正弦波的幅度A、频率ω和初相θ，只需要把这三个参数传递给对方，就可以在接收端完整地重构这个正弦波了，岂不省时省力？所以，对一个正弦波来说，幅度A、频率ω和初相θ就等同于它的特征参量，只需对这三个特征参量进行编码并传输就可以了。
研究发现，语音信号的产生也可以通过一种数学模型实现，即用白噪激励语音生成器获得（可参见相关语音信号处理教材，笔者读研究生时的导师就是干这个专业的）。直观上，用数学模型产生的语音信号肯定不及真人发声的语音信号真实，事实上也是如此。但数学模型最大的好处就是可以获得语音信号的特征值，其数据量远远小于真实的语音信号。于是，对这些特征值进行编码传输，然后在接收端利用这些特征值，同样可以实现语音信号的重构，这便是所谓的参量编码。
对比波形编码方式，参量编码的压缩率更高，也就是传输码率更低，通信系统的负担也更低，缺点就是解码后的信号失真较为严重。3．混合编码
波形编码的数据量大，但更真实、更自然；参量编码的数据量小，但不自然。怎么办？简单，采用中国人的中庸之道便是（可惜咱老祖宗没申请专利）。
GSM系统采用所谓的规则脉冲激励长期预测编码（PRE-LTP），既含有基于语音特征的参量编码，又包括部分波形编码信息，而且采用预测编码，可以更进一步地压缩码率。至于预测编码可以压缩码率的理论，则是基于香农的信息论。预测越准确，则误差越小，误差越小则表明误差本身的概率密度分布也就越集中，即误差函数自身的熵值也越小。熵值越小，则表明平均码长越短，码率也就降低了。通常，几乎所有关于信息论的教材对此都有详细讨论，笔者就不再赘述了。1.4.2 信道编码
前面所说的语音编码比较直观，也很好理解，但信道编码的概念对于没有学习过通信原理课程的读者就比较难以理解了。所以，笔者先简单解释一下什么叫信道。
我们知道，移动通信采用无线电传输信息，固定电话采用有线电缆传输信息。但无论有线通信还是无线通信，信息总是要通过某种通道进行传输的。对于固定电话，我们可以认为电缆就是其信息传输通道；而对于无线通信，我们则把高频无线电载波所处的具有一定宽度的频带看成信息传输通道。比如我们以1.3.1节中介绍过的FM广播电台为例，江苏文艺台的频点为97.5 MHz，电台带宽200 kHz，即江苏文艺台占据97.5±0.1 MHz的频带。那么，这 97.5±0.1 MHz的频带就可以看成该电台的信息传输通道，于是不同的FM广播电台就占据不同的信息传输通道。
FDMA移动通信系统与FM广播电台情况类似，不同的手机占据不同的频带（由系统随机分配），也就是说，各个手机在各自被分配的通道上传输信息，互不影响。
GSM移动通信系统采用FDMA+TDMA混合方式，FDMA已经很好理解了，但TDMA的通道如何理解呢？既然GSM最早是由欧洲人设计并建立的，那我们就假定同是欧洲人的高斯和牛顿正在通话。巧合的是，这哥俩正好在同一个小区的同一个频率上通话。但根据TDMA要求，他们被分配了不同的Slot（时隙），分别为SlotG与SlotN。显然，高斯只能在SlotG传输信息，而牛顿只能在SlotN传输信息。于是，我们可认为SlotG与SlotN就是TDMA系统的信息传输信道。对于某个GSM系统的小区来说，其所能提供的总通道数就是总频点数乘以每个频点所能提供的时隙。
对于CDMA码分多址移动通信系统而言，不同的用户使用不同的正交编码，那么每一个独特的正交编码就相当于一个信息传输通道。
可见，FDMA系统的信息传输通道可用频带的概念代替，GSM系统中的通道则从频带衍生到时隙，而CDMA则进一步演化到正交编码的概念。为了剥离这些通道的具体物理意义，我们将其统称为信道。相应地，FDMA称为频分信道，TDMA称为时分信道，CDMA则称为码分信道。不过，需要着重指出一点，我们这里所说的信道均是指物理信道，与逻辑信道可不是一个概念（逻辑信道都是承载在物理信道上的，只是由于传送的信息在逻辑上分属不同类型，才被称为逻辑信道）。打个比方，CPU与Memory之间的地址总线是行地址/列地址复用的，物理上是同一组地址总线，只是在传输不同逻辑信息时，才称之为行地址或列地址。类似的概念，还有I2C接口、NAND等器件的数据/地址复用同一套总线。
下面，我们解释一下信道编码的意思。我们都知道，信号在信道中传输，一方面信道传输特性不理想，会导致信号发生失真与畸变；另一方面，信道中的各种干扰、噪声又会影响信号的传输。最终结果，都是导致信号在经过信道传输后出现差错。于是，人们就设计出了信道编码，用于改善数字信息在传输过程中由于各种噪声、干扰所造成的误差，提高系统的可靠性。
事实上，信道编码并不是对信道本身进行编码，试想，我们怎么可能对广播电台的频带进行编码？自然，我们更不可能对GSM/CDMA系统中的Slot/正交码进行编码了。信道编码，其实是对语音编码后的数字信号序列按照一定规则，插入一些非信源信息的数字序列，以构成一组码字，然后经调制器转换为适合信道传输的信号。经信道传输后，接收端再采取相反的措施，经信道解码去除源端插入的数字序列，然后再经语音解码还原出原始语音。也就是说，信道编码其实是为了纠正信道传输的错误，有意在信源中插入冗余信息，然后接收端可以根据这些冗余信息正确地还原出信源信息。当然了，信道编码的纠错能力也是有限制的，它与具体的编码方法有关。
在完成信道编码后，还要进行交织等处理，才会进入数字调制过程。在移动通信系统中，数据是以数据帧的形式，一个个分别发送/接收的，而交织其实就是按照某个规则打乱原先数据帧的排列顺序。这样做，看似无理，实则巧妙。移动通信的传输信道属于变参信道，它会造成一连串相邻码元的突发错误。但是，将数据帧打乱传输后，发生错误的码元，在时间排序上相距很远。这样，利用信道编码的纠错能力，就能根据错误码元的相邻码元信息，而把错误码元给检测出来并纠正。但是，如果不进行交织，一旦一连串顺序码元同时发生错误，信道编码也就无能为力了。1.4.3 数字调制
所谓调制，即用发送信号（也称调制信号）调变载波的某个参数，使载波跟随发送信号规律变化。于是，接收端对接收信号进行反向处理，就可以还原出发送端的发送信号。
另外，我们知道调制信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。同样，载波信号可以是连续波（基本都是正弦波），也可以是脉冲序列。两两组合，就有模拟/数字连续波调制和模拟/数字脉冲调制共四种方式。
对于手机来说，载波信号都是连续波，所以只可能是连续波调制。第一代手机的调制信号为模拟信号，采用模拟连续波调制方式（简称模拟调制），这便是模拟手机名称的由来；而从第二代手机开始，调制信号均为数字信号，采用数字连续波调制方式（简称数字调制），从而诞生数字手机一词。可见，所谓模拟/数字手机，指的是调制信号的类型，与载波无关。
相比于传统的模拟调制技术，数字调制具有容量大、质量好、安全性高等特点，但占用带宽比模拟通信要多得多。这是显然的事，天下没有免费的午餐嘛。
数字调制的方法各式各样，针对不同的应用场景往往有不同的方案，甚至一个系统可同时支持多种调制方式。比如，欧洲GSM系统采用的高斯滤波最小频移键控技术，即GMSK（Gaussian Filter MSK）调制；美国D-AMPS系统与日本PDC系统均采用π/4 DQPSK调制；DVB（数字视频广播）与WLAN（无线局域网）均采用OFDM调制；蓝牙采用GFSK调制。随着技术的发展，各系统所支持的调制方式也有所增加，如蓝牙在2.0规范中增加了π/4 DQPSK与8PSK调制方式。
关于数字调制的具体实现原理，涉及大量通信原理方面的知识，而且对数学知识要求较高，不适合在入门篇中展开，我们将在提高篇和高级篇中适时加以讨论。
最后，给出一个完整的数字手机的通信系统框图（仅仅是手机通信功能的组成框图，并非手机硬件框图），如图1-4-2所示。图1-4-2 数字手机的通信系统框图1.5 我国移动通信发展史
全球各个国家的移动通信发展历史各不相同，采用的技术标准也千差万别。比如在2G时代，欧洲有GSM，美国有D-AMPS（即IS-54标准）以及注定在全球移动通信史上有里程碑意义的CDMA95（IS-95标准）；到了3G时代，就更加纷繁复杂了，有基于欧洲UMTS标准的W-CDMA，有基于日本标准的W-CDMA，有基于韩国标准的DS-CDMA，有基于美国标准的cdma2000，有基于中国标准的TD-SCDMA，等等。
在本章的最后，我们简要回顾一下我国移动通信网络的发展历史。1．第一代移动通信系统
第一代移动通信采用模拟调制方式，俗称“本地通”，它有一个更加广为流传的名字叫“大哥大”。想必大家在20世纪90年代的香港影视剧中见过太多，像《古惑仔》中的浩男哥，《大时代》中的陶大宇，都有手持“砖机”的经典形象，称为“大哥大”实在是妙！
该系统采用FDMA频分多址接入方式，每信道25 kHz带宽，由英国在1985年首先提出并投入运营，我国则是在1987年引进该系统，于广州开通了第一个模拟移动通信系统，以后陆续推广到深圳、珠海、北京、上海等城市。不过，模拟通信网络先天不足，通信容量小、多媒体业务少，于2001年6月被淘汰出局，第一代移动通信系统在全国范围内停用。2．第二代移动通信系统
第二代移动通信系统泛指各种数字通信系统，我国采用GSM制式，基于FDMA+TDMA的混合多址接入方式，俗称“全球通”。GSM系统于20世纪90年代初首先在欧洲研制成功并投入商业运营，我国则于1993年引进，第一个试验网建在浙江嘉兴，然后陆续在全国推广开来。
想当年，一部机器6000多元，再加一个入网证3000多元（发你一个叫什么移动通信电台进网许可证之类的小本本，90后的年轻人恐怕就没听说过还有入网证一说），简直是暴利中的暴利，勘比当前“两桶油”（不要小瞧这1万元！以1992年南京市南湖小区的商品房为例，按楼层不同，每平米价格800～1000元，一部手机在当年至少可以购买10平方米；而到了2012年，当年的房子已经普遍涨到每平米15000～18000元）。为此，笔者还特地查阅了一下中国通信学会组织编写的通信工程丛书中的《数字移动通信（修订本）》，其中有1991—1995年，全球各个国家GSM移动通信系统交换机与基站设备供货商列表，细细数来，几乎都是爱立信的天下，其他则由西门子、诺基亚与阿尔卡特共同占领，而手机产品基本上被诺基亚与摩托罗拉所垄断（那时的苹果、三星都不知道在干嘛呢）。这令笔者想起北宋苏东坡的《念奴娇·赤壁怀古》：“遥想公瑾当年，小乔初嫁了。雄姿英发，羽扇纶巾。谈笑间，樯橹灰飞烟灭。”
此后不久，中国联通上马了CDMA网络，并从第一代的CDMA95系统快速演进到2.5G的cdma2000。相比第一代的CDMA95网络，cdma2000主要在数据业务上有所增强。需要说明一点，cdma2000有时也被认为第三代移动通信系统。它兼容第一代CDMA95系统，可以使第一代CDMA95系统平滑过渡到cdma2000系统。不过，主流的看法还是认为cdma2000是一种介于2G和3G间的系统，但更接近3G。但笔者对此问题研究不深，不敢妄下结论。然而时过境迁，中国联通后来又停运了cdma2000系统，而全面转向WCDMA系统，其中的缘由，必定是错综复杂的，非我等外人可以得知。3．第三代移动通信
第三代移动通信有多种制式，但基本核心都是基于CDMA多址接入技术。也正因为此，美国高通公司曾经放话：只要是CDMA技术，就逃不出我高通的专利！
目前，我国的3G有三种制式，分别是中国移动的TD-SCDMA（中国标准，据说核心技术并不是中国人提出的，笔者未曾考证，仅供读者朋友参考）、中国联通的UMTS（即W-CDMA，欧洲标准）以及中国电信的cdma2000-EVDO（美国标准，EVDO表示Evolution Data Only，后续还会演进至EVDV，即Evolution Data and Voice）。
以笔者个人观点来看，3G与2G的主要区别在于3G可以提供更多的数据业务、更高的小区容量等。所以，3G其实仅仅是2G的升级与优化，是一种量的区别；而从1G到2G则是巨大的技术进步，是一种质的区别。
目前，中国移动正在国内推广TD-LTE 4G技术，其核心为OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），即“正交频分复用”。该技术把一个总信道划分为若干个子信道，然后将高速数据信息在这些子信道上进行低速并行传输。为了让接收端可以从这些子信道上正确解调出原始信号，则要求各个子信道的载波频率相互正交。所以，OFDM的本质其实是多载波传输，数学上可用FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）实现。相比3G技术普遍采用的CDMA扩频通信方式，OFDM系统具有码间干扰小（子信道相干带宽大于信号带宽）、频带利用率高（利用子信道载波频率的正交性）、功率控制简单等优点，但OFDM对发射机线性度要求更高。考虑到
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