【導(dǎo)讀】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(dòng)通信根本無法實(shí)現(xiàn)。
說到調(diào)制,我想很多同學(xué)馬上會(huì)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(dòng)通信根本無法實(shí)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(gè)例子:
我們每天都在出行。出行的時(shí)候,我們會(huì)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(huì)有快有慢。
整個(gè)過程,大概就是這樣一個(gè)模型:
實(shí)際上,通信系統(tǒng)和這個(gè)模型類似。上面的出行模型,是把人從出發(fā)點(diǎn)運(yùn)輸?shù)侥康牡?。而通信系統(tǒng),是把數(shù)據(jù)信號(hào)從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩恕?/div>
我們進(jìn)行以下轉(zhuǎn)換:
就可以類比出一個(gè)簡(jiǎn)單的通信模型:
看出來了吧?“調(diào)制”,就像為信號(hào)找一個(gè)交通工具,讓它載著信息穿過信道到達(dá)目的地。
我們知道,在無線信道中,信號(hào)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(gè)“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(gè)過程中,我們其實(shí)用的是水果的種類、顏色、大小這3個(gè)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(gè)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(gè)正弦波信號(hào):
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(jìn)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?yàn)槲覀円娺^實(shí)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(diǎn),可以指示調(diào)制信號(hào)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(gè)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(shí)調(diào)制信號(hào)相位偏移π/2,序列的偶數(shù)位時(shí)和BPSK調(diào)制信號(hào)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(gè)不同的相位,分別表示00、01、10、11,因此QPSK可以在每個(gè)載波上調(diào)制2比特的信息。
16QAM:一個(gè)符號(hào)代表4bit。
64QAM:一個(gè)符號(hào)代表6bit。
256QAM:一個(gè)符號(hào)代表8bit。
來個(gè)動(dòng)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(hào)的幅度不變,相位有變化。QAM調(diào)制信號(hào)的幅度和相位在變化。
正是因?yàn)槊總€(gè)符號(hào)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(gè)“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(jiǎn)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(xué)!
調(diào)制和解調(diào)原理
我們?cè)俸?jiǎn)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(shí)現(xiàn)。
我們從公式1出發(fā),進(jìn)行各種神奇的公式轉(zhuǎn)換。
將公式2畫成框圖,這個(gè)就是IQ調(diào)制:
解調(diào)是把接收到的調(diào)制信號(hào)提取出來的過程,調(diào)制信號(hào)經(jīng)過解調(diào)轉(zhuǎn)換為原始的信號(hào)。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(hào)在乘以對(duì)應(yīng)相位的載波后,進(jìn)行積分,可以得到原始的信號(hào),將公式3畫成框圖,這個(gè)就是IQ解調(diào)。
將2個(gè)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(fù)數(shù)的形式進(jìn)行理解。
調(diào)制的公式描述:
解調(diào)的公式描述:
對(duì)應(yīng)的我們給出復(fù)數(shù)形式的框圖。
這個(gè)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(gè)較為完整的5G的調(diào)制和解調(diào)過程。
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