如何搞定通信物理層？物理層包含哪些內(nèi)容？如何落地實現(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)換為模擬信號并傳輸?shù)浇邮斩?，然后將模擬信號轉(zhuǎn)換回數(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、信道均衡、解調(diào)、解交織、信道譯碼和信宿譯碼等過程。下面對各個模塊進(jìn)行簡要介紹：

信源編碼是將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為比特流的過程。在信源編碼中，通常使用熵編碼來減小信源的冗余度，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、低密度奇偶校驗碼（LDPC碼）、極化碼（Polar碼）等。

速率匹配：無線信道的質(zhì)量是隨時變換的，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。無線信道質(zhì)量越好，越可以采用高階調(diào)制，且相同的RE時頻資源，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率越高。也就說，分配給用戶的業(yè)務(wù)信道，即使是時頻資源都不發(fā)生變化，通過其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率也是根據(jù)業(yè)務(wù)信道的質(zhì)量變化實時變化的，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）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)計數(shù)字通信系統(tǒng)時，通常假設(shè)信源序列是隨機(jī)序列，而實際信源發(fā)出的序列不一定滿足此條件，尤其出現(xiàn)長0串時，給接收端提取信號帶來一定困難。通常，接收端的碼元同步信號是從接收到的數(shù)字信號的“0”和“1”的交變時刻中提取的，如果序列中經(jīng)常出現(xiàn)長游程（0或1游程），則將會長時間不出現(xiàn)“0”和“1”碼元的交變點，從而影響碼元同步的建立和保持。因此，需要對信源序列進(jìn)行擾碼處理，使其隨機(jī)化。擾碼可以減少連“0”或連“1”的長度，保證接收機(jī)能提取到定時信號。

在LTE、NR等協(xié)議中，加擾過程需要根據(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。

符號調(diào)制是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程。符號調(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)字信號轉(zhuǎn)換為一系列符號，并將這些符號映射到特定的調(diào)制信號上。

脈沖整形是為了將調(diào)制后的信號變?yōu)榭蓚鬏數(shù)男盘枺M(jìn)行的一種信號變換。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到與信道傳輸頻帶相對應(yīng)的頻率。上變頻通常采用混頻器、濾波器等方法。

信道傳輸是將信號通過信道傳輸?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，信號可能會受到衰減、噪聲等影響，因此需要進(jìn)行信道估計和均衡操作。在通信系統(tǒng)中，我們還需要通過DA/DA轉(zhuǎn)換完成信號的數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換，天線系統(tǒng)完成信號的收發(fā)。

下變頻（DDC）是將接收到的信號下變到基帶信號，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、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傳輸過程中產(chǎn)生的各種干擾和失真，使信號能夠在接收端被正確地還原出來，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接收到的信號進(jìn)行時鐘同步以及采樣。在接收端接收到信號后，需要將信號與本地同步序列做互相關(guān)計算，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接收到的信號進(jìn)行載波頻率同步。由于信號在傳輸過程中會受到多種因素的影響，包括多普勒效應(yīng)、信號傳輸路徑等，導(dǎo)致接收端接收到的信號與發(fā)送端的信號存在一定的頻率偏移。因此需要進(jìn)行載波同步，將接收到的信號的頻率與發(fā)送端信號的頻率相匹配。載波同步通常采用 Costas 循環(huán)器、 PLL 等技術(shù)實現(xiàn)。

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

信道估計是為了預(yù)測信道傳輸過程中信號的傳輸情況，以便對接收到的信號進(jìn)行正確處理。信道估計通常采用最小二乘估計、卡爾曼濾波等技術(shù)實現(xiàn)。

信道估計是通信系統(tǒng)接收機(jī)的重要功能模塊，主要是用來估計信號所經(jīng)歷信道的沖擊響應(yīng)，并用于后續(xù)的信道均衡處理，以便消除多徑信號混疊造成的ISI。信道估計的方法有很多種，大體上可分為兩類，一類是基于訓(xùn)練序列的信道估計，而另一類是信道的盲估計（自適應(yīng)估計），其估計過程不依賴已知信息。常見通信系統(tǒng)的信道估計，絕大部分是基于訓(xùn)練序列的估計方法，這里面最最常用的兩個信道估計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的多徑時延帶來的碼間串?dāng)_ISI問題，消除信號傳輸過程中產(chǎn)生的衰減和失真等干擾，使接收到的信號能夠正確地還原出來。大體上分為兩大類：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)實現(xiàn)。

解調(diào)是將調(diào)制后的信號還原為數(shù)字信號的過程。解調(diào)通常采用相關(guān)檢測、判決反饋等技術(shù)實現(xiàn)。在現(xiàn)代通信的高階調(diào)制中，軟解調(diào)技術(shù)通過求解對數(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)的過程。譯碼通常采用 Viterbi 算法、迭代解碼等技術(shù)實現(xiàn)。信道譯碼是為了在信道傳輸過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。信道譯碼通常采用 BCH 碼、LDPC 碼等技術(shù)實現(xiàn)。

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

②如何落地實現(xiàn)物理層

從物理層概念到落實具體工程項目，我們需要：

1. 必備知識：掌握無線通信原理、數(shù)字信號處理、信號與系統(tǒng)、矩陣分析等相關(guān)課程理論知識，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)議和算法實現(xiàn)。能夠利用MATLAB ToolBox等資源，掌握信號源產(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，且用MATLAB或C語言仿真實現(xiàn)過。

5.系統(tǒng)建模：在硬件實現(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)和實現(xiàn)的難易程度及資源開銷。

6.工程實現(xiàn)：能夠用DSP或FPGA實現(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模塊和自研編寫功能模塊，完成物理層的硬件電路實現(xiàn)。同時，掌握常用儀器的使用方法，如信號源、頻譜儀等。

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

需要注意的是，根據(jù)不同的協(xié)議或波形需求設(shè)計，整個物理層可能有不同的規(guī)模和復(fù)雜度，需要一個團(tuán)隊共同完成設(shè)計、開發(fā)、驗證，最終形成產(chǎn)品。

審核編輯：劉清