如何搞定通信物理层

2023-11-20 11:27

本文整理了关于通信物理层的处理过程，参考了知乎相关话题和回答，希望可以对相关从业者提供帮助。本文在整理过程中，对原作者的回答，有部分增删的修改，同时加入我自己的经验和认识，以便于更好的理解和表述。

本文梳理在无线通信中，物理层通常会包含哪些内容，以及如何落地实现。

①物理层关键模块

知乎作者——动话通信，对物理层算法进行了归纳。本文在编辑时，进行了适量补充。

通信物理层是通信系统的基础，其任务是将数字信息转换为模拟信号并传输到接收端，然后将模拟信号转换回数字信息。通信物理层包括信源编码、信道编码、交织、调制、整形、上变频、信道传输、下变频、同步捕获、载波同步、信道估计、信道均衡、解调、解交织、信道译码和信宿译码等过程。下面对各个模块进行简要介绍：

信源编码是将数字信息转换为比特流的过程。在信源编码中，通常使用熵编码来减小信源的冗余度，提高信道的利用率。熵编码包括霍夫曼编码、算术编码等。

信道编码是为了提高信号传输的可靠性而进行的编码。信道编码采用一定的编码规则将输入数据序列映射到一个编码序列。常用的信道编码方法包括卷积码、分组码、低密度奇偶校验码（LDPC码）、极化码（Polar码）等。

速率匹配：无线信道的质量是随时变换的，而不是固定不变或事先确定的。不同的信道质量，调制解调的方式不同。无线信道质量越好，越可以采用高阶调制，且相同的RE时频资源，传输的数据速率越高。也就说，分配给用户的业务信道，即使是时频资源都不发生变化，通过其传输的数据速率也是根据业务信道的质量变化实时变化的，取决于调制阶数。在LTE、NR中，均需要进行速率匹配。

交织是为了防止数据在信道传输过程中出现串扰而进行的处理。交织操作将数据分成若干块，并将这些块按照一定的规则重新排列，以达到减少串扰的效果。通常根据调制方式，进行“行进（写）列出（读）”的交织处理。

加扰：为减小临近小区之间的干扰，并将干扰随机化。设计数字通信系统时，通常假设信源序列是随机序列，而实际信源发出的序列不一定满足此条件，尤其出现长0串时，给接收端提取信号带来一定困难。通常，接收端的码元同步信号是从接收到的数字信号的“0”和“1”的交变时刻中提取的，如果序列中经常出现长游程（0或1游程），则将会长时间不出现“0”和“1”码元的交变点，从而影响码元同步的建立和保持。因此，需要对信源序列进行扰码处理，使其随机化。扰码可以减少连“0”或连“1”的长度，保证接收机能提取到定时信号。

在LTE、NR等协议中，加扰过程需要根据参数生成伪随机序列，再生成加扰序列，与码字进行模2加。例在5G的PDSCH信道的加扰如下图所示。

符号调制是将数字信号转换为模拟信号的过程。符号调制可以分为模拟调制和数字调制。模拟调制通常采用调幅、调频、调相等基带调制方式。数字调制通常采用ASK、PSK、FSK、QAM等调制方式。在数字调制中，调制器将输入的数字信号转换为一系列符号，并将这些符号映射到特定的调制信号上。

脉冲整形是为了将调制后的信号变为可传输的信号，而进行的一种信号变换。整形通常采用匹配滤波器、带通滤波器等处理方法。

上变频（DUC）是为了将中心频率移动到与信道传输频带相对应的频率。上变频通常采用混频器、滤波器等方法。

信道传输是将信号通过信道传输到接收端。信道可以是空气中的电磁波信道，也可以是导线等有线信道。信道传输中，信号可能会受到衰减、噪声等影响，因此需要进行信道估计和均衡操作。在通信系统中，我们还需要通过DA／DA转换完成信号的数模／模数转换，天线系统完成信号的收发。

下变频（DDC）是将接收到的信号下变到基带信号，以便进行解调和译码操作。下变频通常采用混频器、滤波器等方法。

在通信物理层中，同步捕获、载波同步、信道估计、信道均衡、解调、译码、解交织、信道译码等操作是为了消除信号传输过程中产生的各种干扰和失真，使信号能够在接收端被正确地还原出来，保证传输质量和数据可靠性。

同步捕获是指在接收端对接收到的信号进行时钟同步以及采样。在接收端接收到信号后，需要将信号与本地同步序列做互相关计算，以保证数据起始位置的正确接收。

载波同步是指在接收端对接收到的信号进行载波频率同步。由于信号在传输过程中会受到多种因素的影响，包括多普勒效应、信号传输路径等，导致接收端接收到的信号与发送端的信号存在一定的频率偏移。因此需要进行载波同步，将接收到的信号的频率与发送端信号的频率相匹配。载波同步通常采用 Costas 循环器、 PLL 等技术实现。

对于同步技术，可参考Mengali的《Synchronization Techniques for Digital Receivers》。

信道估计是为了预测信道传输过程中信号的传输情况，以便对接收到的信号进行正确处理。信道估计通常采用最小二乘估计、卡尔曼滤波等技术实现。

信道估计是通信系统接收机的重要功能模块，主要是用来估计信号所经历信道的冲击响应，并用于后续的信道均衡处理，以便消除多径信号混叠造成的ISI。信道估计的方法有很多种，大体上可分为两类，一类是基于训练序列的信道估计，而另一类是信道的盲估计（自适应估计），其估计过程不依赖已知信息。常见通信系统的信道估计，绝大部分是基于训练序列的估计方法，这里面最最常用的两个信道估计算法就是最小二乘算法（LS）和最小均方误差算法（MMSE）。