你的位置:首頁 > 電路保護 > 正文

5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!

發(fā)布時間:2019-12-07 責任編輯:lina

【導讀】大家好,今天我們來聊聊調制。說到調制,我想很多同學馬上會聯(lián)想到這些關鍵詞:BPSK、QPSK、調幅、調相、QAM、星座圖……
 
大家好,今天我們來聊聊調制。說到調制,我想很多同學馬上會聯(lián)想到這些關鍵詞:BPSK、QPSK、調幅、調相、QAM、星座圖……
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
眾所周知,調制和解調是通信基本業(yè)務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。
 
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。
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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:
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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)點運輸到目的地。而通信系統(tǒng),是把數據信號從發(fā)送端傳輸到接收端。我們進行以下轉換:
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
就可以類比出一個簡單的通信模型:
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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(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。
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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。
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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。
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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。
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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。
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
下面的公式(1),描述了一個正弦波信號:
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
所謂調幅、調頻、調相,就是下圖的樣子:
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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(xié)議(TS 38.201)中,定義了5G支持的調制方式如下:
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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(yè)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(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(tài)。
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
 
 5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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。
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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。
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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。
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
16QAM:一個符號代表4bit。
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
64QAM:一個符號代表6bit。
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
256QAM:一個符號代表8bit。來個動圖,幫助理解:
 
1-25.gif
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(tǒng)出來呢?
 
Hoho,你以為256QAM就是那么簡單就搞出來的嗎?上圖!
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
3GPP 38.211協(xié)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!
 
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(fā),進行各種神奇的公式轉換。
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
將公式2畫成框圖,這個就是IQ調制:
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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。
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
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。
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
將2個框圖結合起來,我們下面給出IQ調制和解調的框圖。
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
IQ調制可以用復數的形式進行理解。調制的公式描述:
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
解調的公式描述:
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
對應的我們給出復數形式的框圖。
 
5G調制怎么實現的?原來通信搞到最后,都是數學!
 
這個框圖搭配上前面3GPP協(xié)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。是不是徹底懵圈啦?調制解調,從入門到放棄!
 
 
推薦閱讀:
2020第十二屆光電子·中國博覽會邀請函
搞不懂波峰焊和回流焊的內容,你還怎么設計電路板~
PCB是如何制作的?這幾張動圖揭曉工廠生產流程
MCU振蕩電路晶體旁的22pF電容是干什么的?附圖分析
高壓核相器如何使用?方法都在這了
特別推薦
技術文章更多>>
技術白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關閉

?

關閉