无线通信中物理层包含哪些内容

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

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）。

信道均衡是为了消除或者是减弱宽带通信时的多径时延带来的码间串扰ISI问题，消除信号传输过程中产生的衰减和失真等干扰，使接收到的信号能够正确地还原出来。大体上分为两大类：线性与非线性均衡。

信道均衡通常采用均衡滤波器（自适应滤波）、迫零均衡算法（ZF）、最小均方误差算法（MMSE）等技术实现。

解调是将调制后的信号还原为数字信号的过程。解调通常采用相关检测、判决反馈等技术实现。在现代通信的高阶调制中，软解调技术通过求解对数似然比（LLR），提高信道译码器的性能。

解扰：发射端加扰的逆过程，同样需要生成扰码序列进行解扰。

解交织是为了消除串扰而进行的处理，是发射端交织的逆过程。解交织操作将接收到的交织数据分成若干块，并将这些块按照交织规则重新排列，以达到消除串扰的效果。

信道译码是将接收到的编码数据序列转换回原始数据的过程。译码通常采用 Viterbi 算法、迭代解码等技术实现。信道译码是为了在信道传输过程中能够纠正由于噪声等因素引起的误码而进行的纠错。信道译码通常采用 BCH 码、LDPC 码等技术实现。

最后，信宿译码是为了将译码后的数字信号转换为目标数据格式。

②如何落地实现物理层

从物理层概念到落实具体工程项目，我们需要：

1.必备知识：掌握无线通信原理、数字信号处理、信号与系统、矩阵分析等相关课程理论知识，熟悉OFDM、MIMO等通信技术；

2.熟悉协议：NR、LTE、802.11、DVB等，要在具体工作中，熟悉或掌握通信协议标准。

3.阅读文献：大量阅读IEEE文献和硕博论文，以及3GPP/ITU上一些厂商提案，辅助理解协议和算法实现。能够利用MATLAB ToolBox等资源，掌握信号源产生、波形生成、调制解调、加噪等方法。

4.公式推导：关键算法的公式推推导过，且用MATLAB或C语言仿真实现过。

5.系统建模：在硬件实现物理层之前，需要有完整的算法链路完成系统仿真，确定系统性能指标和实现的难易程度及资源开销。

6.工程实现：能够用DSP或FPGA实现物理层算法，合理划分功能模块，定义通信接口，恰当使用成熟的IP模块和自研编写功能模块，完成物理层的硬件电路实现。同时，掌握常用仪器的使用方法，如信号源、频谱仪等。

7.解决问题：通信系统的实现，离不开高层协议软件和物理层以及整机的配合，需要在繁杂的过程中快速定位研发过程中出现的一系列问题，既需要丰富的经验，也需要科学的工程技术实践方法。

需要注意的是，根据不同的协议或波形需求设计，整个物理层可能有不同的规模和复杂度，需要一个团队共同完成设计、开发、验证，最终形成产品。

审核编辑：汤梓红