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5G通信基本業務流程中的重要組成部分:調制解調

電子森林 ? 來源:FPGA入門到精通 ? 作者:FPGA入門到精通 ? 2021-01-06 16:31 ? 次閱讀

今天我們就結合熱門的5G話題,先來談談通信基本業務流程中的重要組成部分:調制解調。

文章來源:中興文檔 說到調制,通信行業的老朋友們腦袋里大概會快速冒出:BPSK、QPSK、調幅、調相、QAM、星座圖……

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那么,究竟什么是調制?為什么要調制?5G又是怎么調制的呢?接下來,我們逐一介紹。

調制是做什么用的呢?

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:

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實際上,通信系統和這個模型類似。上面的出行模型,是把人從出發點運輸到目的地。而通信系統,是把數據信號從發送端傳輸到接收端。我們進行以下轉換:

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就可以類比出一個簡單的通信模型:

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看出來了吧?“調制”,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。

我們發送給接收端,接收方收到后一看是蘋果就知道是發送的是0,一收到香蕉,就知道發送的是1。

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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,就知道是發送的是0。收到綠蘋果,就知道發送的是1。

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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,就知道是發送的是0。收到小紅蘋果,就知道發送的是1。

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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。

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下面的公式(1),描述了一個正弦波信號:

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所謂調幅、調頻、調相,就是下圖的樣子:

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看出來了沒?0和1,被“調”進了不同的電磁波波形之中。

5G速度那么快,它是怎么調制的呢?

在3GPP協議(TS 38.201)中,定義了5G支持的調制方式如下:

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按照使用的載波的特征的不同,5G采用的調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。這一類專業名詞叫做QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅調制)。

星座圖

各種調制方式之間的差異,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,看到過不同狀態的水果。

那么,我們能不能把調制方式也用圖表示起來呢?

可以。為了直觀的表示各種調制方式,我們引入一種叫做星座圖的工具。星座圖中的點,可以指示調制信號的幅度和相位的可能狀態。

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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制1比特的信息。

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π/2-BPSK是BPSK在序列的奇數位時調制信號相位偏移π/2,序列的偶數位時和BPSK調制信號的相位一樣,也就是π/2-BPSK定義了4種相位來表示0和1。

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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制2比特的信息。

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16QAM:一個符號代表4bit。

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64QAM:一個符號代表6bit。

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256QAM:一個符號代表8bit。來個動圖,幫助理解:

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QAM示意圖(來自cisco)

從星座圖中可以看出PSK調制信號的幅度不變,相位有變化。QAM調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出來呢?

Hoho,你以為256QAM就是那么簡單就搞出來的嗎?上圖!

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3GPP 38.211協議中定義的5G調制方式的映射關系

懵圈了!有木有? 通信搞到最后,都是數學! (但是沒關系,你一下懵圈是因為剛看,做這些通信理論研究的大牛們可都是浸淫了許多年。要是你跟他們一樣埋頭進去做個幾年,搞掂上面的映射關系也是信手拈來的事。當然,數學確實是要學好。——硬禾老編輯注)

調制和解調原理

我們再簡單講一下調制和解調的原理。

5G的各種調制方式,都可以使用IQ調制解調來實現。

我們從公式1出發,進行各種神奇的公式轉換。

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將公式2畫成框圖,這個就是IQ調制:

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解調是把接收到的調制信號提取出來的過程,調制信號經過解調轉換為原始的信號。解調的過程可以通過下面的公式來解釋。

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通過公式3可以看到,接收信號在乘以對應相位的載波后,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。

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將2個框圖結合起來,我們下面給出IQ調制和解調的框圖。

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IQ調制可以用復數的形式進行理解。調制的公式描述:

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解調的公式描述:

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對應的我們給出復數形式的框圖。

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這個框圖搭配上前面3GPP協議里面的5G調制映射關系,就是一個較為完整的5G的調制和解調過程。 這個調制解調過程是挺復雜的。不過小白現在沒全看懂沒關系,有的是時間和機會深入了解。現在實驗儀器強大,且隨手可得,只要自己動手做過一次,就從簡單的ASK、FSK、PSK入手,對頻率、相位、幅度這些有直接認識,慢慢就玩轉了。

責任編輯:xj

原文標題:圖文講解5G調制,特別通俗易懂!

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