5G的調(diào)制方式，到底是怎么實(shí)現(xiàn)的？

說(shuō)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(méi)有它們，我們的移動(dòng)通信根本無(wú)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(lái)，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(guò)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?/p>

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(lái)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(guò)信道到達(dá)目的地。

我們知道，在無(wú)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(lái)傳遞信息呢?

我們先來(lái)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(píng)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(píng)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(píng)果來(lái)傳遞信息呢?

我們約定讓紅蘋(píng)果代表0，綠蘋(píng)果代表1。

接收方一看是紅蘋(píng)果，就知道是發(fā)送的是0。收到綠蘋(píng)果，就知道發(fā)送的是1。

再換一種方式。如果只有紅蘋(píng)果，怎么傳遞信息呢?

我們可以用大的紅蘋(píng)果來(lái)代表0，小的紅蘋(píng)果代表1。一看是大紅蘋(píng)果，就知道是發(fā)送的是0。收到小紅蘋(píng)果，就知道發(fā)送的是1。

在這個(gè)過(guò)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(lái)傳遞信息的。

類似的，電磁波可以用正弦波來(lái)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(lái)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(lái)了沒(méi)?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(shuō)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(píng)果，什么是香蕉，什么是紅蘋(píng)果，什么是大蘋(píng)果。)

這是因?yàn)槲覀円?jiàn)過(guò)實(shí)物，看到過(guò)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(lái)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(lái)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(lái)個(gè)動(dòng)圖，幫助理解：

QAM示意圖(來(lái)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(jué)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(lái)呢?

Hoho，你以為256QAM就是那么簡(jiǎn)單就搞出來(lái)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(lái)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(huà)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(lái)的過(guò)程，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)轉(zhuǎn)換為原始的信號(hào)。解調(diào)的過(guò)程可以通過(guò)下面的公式來(lái)解釋。

通過(guò)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(huà)成框圖，這個(gè)就是IQ解調(diào)。

將2個(gè)框圖結(jié)合起來(lái)，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(guò)程。

是不是徹底懵圈啦?調(diào)制解調(diào)，從入門(mén)到放棄!

文章的最后，讓我們用幾道選擇題，測(cè)試一下你對(duì)5G調(diào)制的理解吧~

1. 5G采用哪種調(diào)制方式手機(jī)看電影更流暢?

A π/2-BPSK

B QPSK

C 16QAM

D 64QAM

E 256QAM

2. 星座圖的作用?

A 描述天體的運(yùn)行情況

B 用來(lái)預(yù)測(cè)命運(yùn)

C 描述調(diào)制信號(hào)的幅度和相位的可能狀態(tài)

3. 5G NR比LTE多了哪種調(diào)制方式?

A π/2-BPSK

B QPSK

C 16QAM

D 64QAM

E 256QAM