如何搞定通信物理層？物理層包含哪些內(nèi)容？如何落地實(shí)現(xiàn)呢？

通信物理層是通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其任務(wù)是將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并傳輸?shù)浇邮斩耍缓髮⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信息。通信物理層包括信源編碼、信道編碼、交織、調(diào)制、整形、上變頻、信道傳輸、下變頻、同步捕獲、載波同步、信道估計(jì)、信道均衡、解調(diào)、解交織、信道譯碼和信宿譯碼等過(guò)程。下面對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：

信源編碼是將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為比特流的過(guò)程。在信源編碼中，通常使用熵編碼來(lái)減小信源的冗余度，提高信道的利用率。熵編碼包括霍夫曼編碼、算術(shù)編碼等。

信道編碼是為了提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃远M(jìn)行的編碼。信道編碼采用一定的編碼規(guī)則將輸入數(shù)據(jù)序列映射到一個(gè)編碼序列。常用的信道編碼方法包括卷積碼、分組碼、低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC碼）、極化碼（Polar碼）等。

速率匹配：無(wú)線信道的質(zhì)量是隨時(shí)變換的，而不是固定不變或事先確定的。不同的信道質(zhì)量，調(diào)制解調(diào)的方式不同。無(wú)線信道質(zhì)量越好，越可以采用高階調(diào)制，且相同的RE時(shí)頻資源，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率越高。也就說(shuō)，分配給用戶的業(yè)務(wù)信道，即使是時(shí)頻資源都不發(fā)生變化，通過(guò)其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率也是根據(jù)業(yè)務(wù)信道的質(zhì)量變化實(shí)時(shí)變化的，取決于調(diào)制階數(shù)。在LTE、NR中，均需要進(jìn)行速率匹配。

交織是為了防止數(shù)據(jù)在信道傳輸過(guò)程中出現(xiàn)串?dāng)_而進(jìn)行的處理。交織操作將數(shù)據(jù)分成若干塊，并將這些塊按照一定的規(guī)則重新排列，以達(dá)到減少串?dāng)_的效果。通常根據(jù)調(diào)制方式，進(jìn)行“行進(jìn)（寫(xiě)）列出（讀）”的交織處理。

加擾：為減小臨近小區(qū)之間的干擾，并將干擾隨機(jī)化。設(shè)計(jì)數(shù)字通信系統(tǒng)時(shí)，通常假設(shè)信源序列是隨機(jī)序列，而實(shí)際信源發(fā)出的序列不一定滿足此條件，尤其出現(xiàn)長(zhǎng)0串時(shí)，給接收端提取信號(hào)帶來(lái)一定困難。通常，接收端的碼元同步信號(hào)是從接收到的數(shù)字信號(hào)的“0”和“1”的交變時(shí)刻中提取的，如果序列中經(jīng)常出現(xiàn)長(zhǎng)游程（0或1游程），則將會(huì)長(zhǎng)時(shí)間不出現(xiàn)“0”和“1”碼元的交變點(diǎn)，從而影響碼元同步的建立和保持。因此，需要對(duì)信源序列進(jìn)行擾碼處理，使其隨機(jī)化。擾碼可以減少連“0”或連“1”的長(zhǎng)度，保證接收機(jī)能提取到定時(shí)信號(hào)。

在LTE、NR等協(xié)議中，加擾過(guò)程需要根據(jù)參數(shù)生成偽隨機(jī)序列，再生成加擾序列，與碼字進(jìn)行模2加。例在5G的PDSCH信道的加擾如下圖所示。

符號(hào)調(diào)制是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程。符號(hào)調(diào)制可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制通常采用調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等基帶調(diào)制方式。數(shù)字調(diào)制通常采用ASK、PSK、FSK、QAM等調(diào)制方式。在數(shù)字調(diào)制中，調(diào)制器將輸入的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為一系列符號(hào)，并將這些符號(hào)映射到特定的調(diào)制信號(hào)上。

脈沖整形是為了將調(diào)制后的信號(hào)變?yōu)榭蓚鬏數(shù)男盘?hào)，而進(jìn)行的一種信號(hào)變換。整形通常采用匹配濾波器、帶通濾波器等處理方法。

上變頻（DUC）是為了將中心頻率移動(dòng)到與信道傳輸頻帶相對(duì)應(yīng)的頻率。上變頻通常采用混頻器、濾波器等方法。

信道傳輸是將信號(hào)通過(guò)信道傳輸?shù)浇邮斩?。信道可以是空氣中的電磁波信道，也可以是?dǎo)線等有線信道。信道傳輸中，信號(hào)可能會(huì)受到衰減、噪聲等影響，因此需要進(jìn)行信道估計(jì)和均衡操作。在通信系統(tǒng)中，我們還需要通過(guò)DA/DA轉(zhuǎn)換完成信號(hào)的數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換，天線系統(tǒng)完成信號(hào)的收發(fā)。

下變頻（DDC）是將接收到的信號(hào)下變到基帶信號(hào)，以便進(jìn)行解調(diào)和譯碼操作。下變頻通常采用混頻器、濾波器等方法。

在通信物理層中，同步捕獲、載波同步、信道估計(jì)、信道均衡、解調(diào)、譯碼、解交織、信道譯碼等操作是為了消除信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾和失真，使信號(hào)能夠在接收端被正確地還原出來(lái)，保證傳輸質(zhì)量和數(shù)據(jù)可靠性。

同步捕獲是指在接收端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘同步以及采樣。在接收端接收到信號(hào)后，需要將信號(hào)與本地同步序列做互相關(guān)計(jì)算，以保證數(shù)據(jù)起始位置的正確接收。

載波同步是指在接收端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行載波頻率同步。由于信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到多種因素的影響，包括多普勒效應(yīng)、信號(hào)傳輸路徑等，導(dǎo)致接收端接收到的信號(hào)與發(fā)送端的信號(hào)存在一定的頻率偏移。因此需要進(jìn)行載波同步，將接收到的信號(hào)的頻率與發(fā)送端信號(hào)的頻率相匹配。載波同步通常采用 Costas 循環(huán)器、 PLL 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于同步技術(shù)，可參考Mengali的《Synchronization Techniques for Digital Receivers》。

信道估計(jì)是為了預(yù)測(cè)信道傳輸過(guò)程中信號(hào)的傳輸情況，以便對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行正確處理。信道估計(jì)通常采用最小二乘估計(jì)、卡爾曼濾波等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

信道估計(jì)是通信系統(tǒng)接收機(jī)的重要功能模塊，主要是用來(lái)估計(jì)信號(hào)所經(jīng)歷信道的沖擊響應(yīng)，并用于后續(xù)的信道均衡處理，以便消除多徑信號(hào)混疊造成的ISI。信道估計(jì)的方法有很多種，大體上可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)，而另一類(lèi)是信道的盲估計(jì)（自適應(yīng)估計(jì)），其估計(jì)過(guò)程不依賴已知信息。常見(jiàn)通信系統(tǒng)的信道估計(jì)，絕大部分是基于訓(xùn)練序列的估計(jì)方法，這里面最最常用的兩個(gè)信道估計(jì)算法就是最小二乘算法（LS）和最小均方誤差算法（MMSE）。

信道均衡是為了消除或者是減弱寬帶通信時(shí)的多徑時(shí)延帶來(lái)的碼間串?dāng)_ISI問(wèn)題，消除信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的衰減和失真等干擾，使接收到的信號(hào)能夠正確地還原出來(lái)。大體上分為兩大類(lèi)：線性與非線性均衡。

信道均衡通常采用均衡濾波器（自適應(yīng)濾波）、迫零均衡算法（ZF）、最小均方誤差算法（MMSE）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

解調(diào)是將調(diào)制后的信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。解調(diào)通常采用相關(guān)檢測(cè)、判決反饋等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)代通信的高階調(diào)制中，軟解調(diào)技術(shù)通過(guò)求解對(duì)數(shù)似然比（LLR），提高信道譯碼器的性能。

解擾：發(fā)射端加擾的逆過(guò)程，同樣需要生成擾碼序列進(jìn)行解擾。

解交織是為了消除串?dāng)_而進(jìn)行的處理，是發(fā)射端交織的逆過(guò)程。解交織操作將接收到的交織數(shù)據(jù)分成若干塊，并將這些塊按照交織規(guī)則重新排列，以達(dá)到消除串?dāng)_的效果。

信道譯碼是將接收到的編碼數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)換回原始數(shù)據(jù)的過(guò)程。譯碼通常采用 Viterbi 算法、迭代解碼等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。信道譯碼是為了在信道傳輸過(guò)程中能夠糾正由于噪聲等因素引起的誤碼而進(jìn)行的糾錯(cuò)。信道譯碼通常采用 BCH 碼、LDPC 碼等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

最后，信宿譯碼是為了將譯碼后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)數(shù)據(jù)格式。

②如何落地實(shí)現(xiàn)物理層

從物理層概念到落實(shí)具體工程項(xiàng)目，我們需要：

1. 必備知識(shí)：掌握無(wú)線通信原理、數(shù)字信號(hào)處理、信號(hào)與系統(tǒng)、矩陣分析等相關(guān)課程理論知識(shí)，熟悉OFDM、MIMO等通信技術(shù)；

2.熟悉協(xié)議：NR、LTE、802.11、DVB等，要在具體工作中，熟悉或掌握通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

3.閱讀文獻(xiàn)：大量閱讀IEEE文獻(xiàn)和碩博論文，以及3GPP/ITU上一些廠商提案，輔助理解協(xié)議和算法實(shí)現(xiàn)。能夠利用MATLAB ToolBox等資源，掌握信號(hào)源產(chǎn)生、波形生成、調(diào)制解調(diào)、加噪等方法。

4.公式推導(dǎo)：關(guān)鍵算法的公式推推導(dǎo)過(guò)，且用MATLAB或C語(yǔ)言仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)。

5.系統(tǒng)建模：在硬件實(shí)現(xiàn)物理層之前，需要有完整的算法鏈路完成系統(tǒng)仿真，確定系統(tǒng)性能指標(biāo)和實(shí)現(xiàn)的難易程度及資源開(kāi)銷(xiāo)。

6.工程實(shí)現(xiàn)：能夠用DSP或FPGA實(shí)現(xiàn)物理層算法，合理劃分功能模塊，定義通信接口，恰當(dāng)使用成熟的IP模塊和自研編寫(xiě)功能模塊，完成物理層的硬件電路實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，掌握常用儀器的使用方法，如信號(hào)源、頻譜儀等。

7.解決問(wèn)題：通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，離不開(kāi)高層協(xié)議軟件和物理層以及整機(jī)的配合，需要在繁雜的過(guò)程中快速定位研發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，既需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，也需要科學(xué)的工程技術(shù)實(shí)踐方法。

需要注意的是，根據(jù)不同的協(xié)議或波形需求設(shè)計(jì)，整個(gè)物理層可能有不同的規(guī)模和復(fù)雜度，需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)共同完成設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證，最終形成產(chǎn)品。

審核編輯：劉清