快速傳送手機訊號
利用手機通話、收發簡訊、傳送或下載影音資料等,已讓我們的溝通方式更加多元化。小小手機為何能快速傳遞高容量的資料,而且訊號如此穩定?
文/楊嘉慧
審稿/台灣科技大學電機系副教授 馬自莊

手機越做越精巧,功能也越來越繁複,其基本原理都是利用電磁波傳送訊號。(影像來源:http://www.sxc.hu)

 近年來,手機通訊技術一直有重大發展,從1980年代中葉使用類比傳訊、體積大且只有收發話功能的 「黑金剛」,至1990年代中葉改採數位傳輸、2G手機出現後,手機功能的演進便一日千里,到了目前的3G手機、黑莓機,不但可以因時、因地、因人做客製 化的服務設定,還能即時傳送圖像、音樂、視頻,或者上網瀏覽、購物、多方通訊,甚至提供電話秘書功能……等。然而,不論手機做得多麼精巧,功能多麼繁複, 它的運作原理與收音機或廣播電台類似,都是透過電子電路、天線等零件接收與發送電磁波,但傳輸速度比兩者快,發射功率(單位時間發射的電磁波能量)也更 低。

以高頻、短波的電磁波快速收發訊號

 手機是藉由內建天線發射訊號,該處也是電磁波能量最強的地方。手機接通後,發話方的聲音或影像會先 轉譯成電訊號,即變成電流於電路板流動,接著電流從電路板進到天線端,改變天線電荷的分佈與速度,因此感應生成不斷變化的電磁波,並傳送至附近的基地台。 基地台天線接收到手機發出來的電磁波後,會再將訊號轉接傳遞至受話者的手機,並轉回成聲音或影像。

 台灣科技大學電機系副教授馬自莊表示,手機接收及傳送資訊的速度比收音機及廣播電台快,原因之一是 使用高頻、短波的電磁波(註),傳送資料時,單位時間內能傳送的波數較多,即輸送資料量較大。一般調頻頻率約在100MHz(1MHz為每秒振動100萬 次),波長約300公分;而台灣的手機頻率則有900MHz或1800MHz兩種,波長分別是33與17公分。

蜂巢式通訊設計提供穩定訊號

 短波雖然有助於加快手機的訊號傳輸速度,但也限制了傳輸距離。這是因為波如果遇到遠小於波長的障礙 物時,可以繞射繼續前進;但若遇到的障礙物(如高樓或山丘)遠大於波長時,則無法繞射至另一側。為了克服此難題,行動通信系統目前多採用「蜂巢式通訊系 統」,即每隔數百公尺至數公里就架設一座基地台,每座基地台只負責一小區域的訊號處理,利用高密度設置基地台來減少訊號因障礙物而消弱的問題,同時可以分 攤通話承載量,而且手機也無須發射高功率的電磁波搜尋遠端基地台,可因此降低電磁波的強度(見下圖)。

蜂巢式行動通話系統是在每數百公尺至數至公里內架設一座基地台,每座基地台只負責一小範圍,當手機離開原來的基地台範圍,便會切換至另一座基地台。(電腦繪圖:姚裕評)


 蜂巢式通訊系統雖然提供穩定的收訊品質,然而仍有通訊死角,例如進入電梯內,會因為電梯「車廂」四 週是金屬材質,使訊號變差。馬自莊表示,金屬是一種會屏蔽電磁波的材質,當電磁波從一個介質(空氣)到另一個介質(金屬)時,波速會改變,有一部份波會反 射,形成反射波;另一部份則會穿透介質並改變行進方向,形成折射波。電磁波穿透金屬時,還會消耗部份能量,原因是金屬為導體,電磁波會使金屬的電荷重新分 配,產生感應電流,將部份能量轉變成熱能;再如現代建築物採用的鋼筋混凝土等材料也會造成訊號減弱;而進入沒有架設基地台的長隧道,電磁波不易繞射進去, 訊號也會變得不穩定。

 儘管如此,由於無線科技的進展,以及電信業者針對不同地區的環境及建築物佈設基地台,通訊死角已變 得越來越少,現在即使到如大型建物的底層、地下商場等地區都能收到訊號。此外,在用戶飛速增加的現在,網路容量不斷擴增,也讓每位用戶不會因擁塞造成斷話 或訊號不良,而可以無時無刻通話、上網。

註:電流方向、強度隨時間改變,就會產生電磁波。若電流變化有週期性,則可用頻率表示變化快慢,最簡單的例子是電流方向每秒改變60次的交流電,它會發出頻率為60Hz的電磁波。各種不同頻率的電磁波在真空傳播的速度等於光在真空行進的速度,為3×108m/s。


手機電磁波的規範

 為了避免手機發射太強的電磁波,許多國家都要求業者在手機上市前須做 SAR(specific absorption rate,電磁波能量吸收比值)檢測,即檢測手機輸出最大功率的電磁波時,每公斤人體所吸收的電磁波能量,各國訂定的 SAR 值上限都不超過2 w/kg,避免過強的電磁波對身體組織造成不當的熱效應。

 SGS 台灣檢驗公司技術經理張正昌表示,SAR 的檢測程序是先將待測手機固定於一個假人凹槽的耳朵旁,凹槽內會盛裝模擬人體導電度的組織液,成份包含食鹽、水、糖及其他化學物質等。由於手機會根據基地 台的遠近,調整不同發射功率,因此測試時,會讓待測手機只能搜尋到一台功率非常低的基地台,迫使手機發射出最大功率;接著以一根裝有天線的探測棒伸入組織 液內,量測凹槽內每一個位置的電場強度,並找出最大值落在哪些位置,接著仔細計算這幾處的能量變化,以電腦求出單位質量生物體吸收的能量,即為 SAR 值(見右圖)。

1.待測手機放在假人凹槽外面的耳朵旁。(影像來源:《科學人》影像資料庫/攝影:張正昌)

2.假人凹槽內裝有模擬人體的組織液,手機撥通後,以探測棒伸入量測組織液內特定位置之電場能量。(影像來源:《科學人》影像資料庫/攝影:張正昌)

 除了手機電磁波設有規範,基地台發射出來的電磁波也有建議值,900MHz的電磁波功率密度值不能超過0.45mW/cm2,1800MHz則為0.9mW/cm2。 然而蜂巢式通訊設計使得基地台密佈,甚至集中在同一屋頂,是否會超過上述標準?環保署表示,根據目前抽測基地台附近的電磁波功率密度值,尚未發現數架基地 台置於同一區域會致使電磁波功率密度值超過建議值範圍的情況(註),基地台的架設也受國家通訊傳播委員會(NCC)管控,因此不易發生超標準的情況。


註:環保署如何檢測基地台的電磁波功率密度值,以及全省各地已量測過的基地台電磁輻射資料,可上環保署網站查詢,NCC也開放免費申請檢測基地台釋放的電磁波。

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