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      5G調(diào)制怎么實現(xiàn)的？原來通信搞到最后，都是數(shù)學!
      
                    
                    
                    
                    
      
                         dsplog
                        
                        
                        2019-12-10
                        
                            
                        
                    
      
                    
      
                        
                        
      
                    
      
                    
                    
      
                        
      
                            
                        
      
                        
      
                            
                                
      
                                    
                                        
      

                                        
                                        

                                        

      大家好，今天我們來聊聊調(diào)制。說到調(diào)制，我想很多同學馬上會聯(lián)想到這些關(guān)鍵詞：BPSK、QPSK、調(diào)幅、調(diào)相、QAM、星座圖……
      眾所周知，調(diào)制和解調(diào)是通信基本業(yè)務(wù)流程中的重要組成部分。沒有它們，我們的移動通信根本無法實現(xiàn)。
      那么，究竟什么是調(diào)制?為什么要調(diào)制?5G又是怎么調(diào)制的呢?接下來，我們逐一介紹。

      調(diào)制是做什么用的呢?

      讓我們看一下生活中的一個例子：我們每天都在出行。出行的時候，我們會根據(jù)行程選擇適合的交通工具。
      乘坐不同的交通工具，出行的速度也會有快有慢。整個過程，大概就是這樣一個模型：
      實際上，通信系統(tǒng)和這個模型類似。上面的出行模型，是把人從出發(fā)點運輸?shù)侥康牡亍６ㄐ畔到y(tǒng)，是把數(shù)據(jù)信號從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩?。我們進行以下轉(zhuǎn)換：
      就可以類比出一個簡單的通信模型：
      看出來了吧？“調(diào)制”，就像為信號找一個交通工具，讓它載著信息穿過信道到達目的地。

      我們知道，在無線信道中，信號是以電磁波的形式傳遞的。那么，電磁波怎么來傳遞信息呢?

      我們先來舉一個“用水果傳遞信息”例子。

      例如，我們要傳遞0和1，可以讓蘋果代表0，香蕉代表1。

      我們發(fā)送給接收端，接收方收到后一看是蘋果就知道是發(fā)送的是0，一收到香蕉，就知道發(fā)送的是1。
      換一種方式，如果只能用蘋果來傳遞信息呢?

      我們約定讓紅蘋果代表0，綠蘋果代表1。

      接收方一看是紅蘋果，就知道是發(fā)送的是0。收到綠蘋果，就知道發(fā)送的是1。
      再換一種方式。如果只有紅蘋果，怎么傳遞信息呢?

      我們可以用大的紅蘋果來代表0，小的紅蘋果代表1。一看是大紅蘋果，就知道是發(fā)送的是0。收到小紅蘋果，就知道發(fā)送的是1。
      在這個過程中，我們其實用的是水果的種類、顏色、大小這3個特征來傳遞信息的。
      類似的，電磁波可以用正弦波來描述。一個正弦波也有3大特征，幅度，相位，頻率。我們可以利用電磁波的這3大特征來傳遞信息。
      下面的公式(1)，描述了一個正弦波信號：
      所謂調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相，就是下圖的樣子：
      看出來了沒?0和1，被“調(diào)”進了不同的電磁波波形之中。

      5G速度那么快，它是怎么調(diào)制的呢?

      在3GPP協(xié)議(TS 38.201)中，定義了5G支持的調(diào)制方式如下：
      按照使用的載波的特征的不同，5G采用的調(diào)制方式可以分為兩大類：

      載波的相位變化，幅度不變化：π/2-BPSK, QPSK。這就是前面說的PSK(Phase-Shift keying相移鍵控)。

      載波的相位和幅度都變化：16QAM, 64QAM，256QAM。這一類專業(yè)名詞叫做QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調(diào)制)。

      星座圖

      各種調(diào)制方式之間的差異，還是不太容易理解。

      想一想，為什么我們能很容易區(qū)分各種水果的不同?(什么是蘋果，什么是香蕉，什么是紅蘋果，什么是大蘋果。)

      這是因為我們見過實物，看到過不同狀態(tài)的水果。

      那么，我們能不能把調(diào)制方式也用圖表示起來呢?

      可以。為了直觀的表示各種調(diào)制方式，我們引入一種叫做星座圖的工具。星座圖中的點，可以指示調(diào)制信號的幅度和相位的可能狀態(tài)。
      BPSK定義了2種相位，分別表示0和1，因此BPSK可以在每個載波上調(diào)制1比特的信息。
      π/2-BPSK是BPSK在序列的奇數(shù)位時調(diào)制信號相位偏移π/2，序列的偶數(shù)位時和BPSK調(diào)制信號的相位一樣，也就是π/2-BPSK定義了4種相位來表示0和1。
      QPSK全稱是正交相移鍵控，它定義了4個不同的相位，分別表示00、01、10、11，因此QPSK可以在每個載波上調(diào)制2比特的信息。
      16QAM：一個符號代表4bit。
      64QAM：一個符號代表6bit。
      256QAM：一個符號代表8bit。來個動圖，幫助理解：
      QAM示意圖(來自cisco)
      從星座圖中可以看出PSK調(diào)制信號的幅度不變，相位有變化。QAM調(diào)制信號的幅度和相位在變化。

      正是因為每個符號能代表的bit數(shù)不斷提升，使得攜帶的信息量提升，最終讓這個“交通工具”能顯著提升速率。

      可能大家覺得5G好像也不是很難的樣子嘛。既然我們已經(jīng)有了通信模型和星座圖兩大法寶，是不是可以自己打造一套下一代通信系統(tǒng)出來呢?

      Hoho，你以為256QAM就是那么簡單就搞出來的嗎?上圖!
      3GPP 38.211協(xié)議中定義的5G調(diào)制方式的映射關(guān)系

      懵圈了!有木有? 通信搞到最后，都是數(shù)學!

      調(diào)制和解調(diào)原理

      我們再簡單講一下調(diào)制和解調(diào)的原理。

      5G的各種調(diào)制方式，都可以使用IQ調(diào)制解調(diào)來實現(xiàn)。

      我們從公式1出發(fā)，進行各種神奇的公式轉(zhuǎn)換。
      將公式2畫成框圖，這個就是IQ調(diào)制：
      解調(diào)是把接收到的調(diào)制信號提取出來的過程，調(diào)制信號經(jīng)過解調(diào)轉(zhuǎn)換為原始的信號。解調(diào)的過程可以通過下面的公式來解釋。
      通過公式3可以看到，接收信號在乘以對應(yīng)相位的載波后，進行積分，可以得到原始的信號，將公式3畫成框圖，這個就是IQ解調(diào)。
      將2個框圖結(jié)合起來，我們下面給出IQ調(diào)制和解調(diào)的框圖。
      IQ調(diào)制可以用復數(shù)的形式進行理解。調(diào)制的公式描述：
      解調(diào)的公式描述：
      對應(yīng)的我們給出復數(shù)形式的框圖。
      這個框圖搭配上前面3GPP協(xié)議里面的5G調(diào)制映射關(guān)系，就是一個較為完整的5G的調(diào)制和解調(diào)過程。是不是徹底懵圈啦?調(diào)制解調(diào)，從入門到放棄!

      來源：中興文檔
      
                                          		
                                
      
                                  
                        
      
                    
      



                
      
                
      
                    
                    
                        
      
                            
                                
        
                                    		
                        
        
                            
                
        
                
        
                
                
                
        
                
        


                

                
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