通信原理的新认识-从实践到原理

在读书期间，本人是学习的通信专业，曾反复研读樊昌信老师写的《通信原理》这本书，一直停留在表面且没有新的理解，直到毕业之后从事通信相关的工作，才在实践层面对通信有了新认识。现就将新理解分享给小伙伴们，也把自己理解的通信流程讲述给小伙伴们。通信就是通过信道将信源的信息发送给信宿，换句热门的话来说，“端到端”就是手机之间如何通信，人的声音通过手机的麦克风转化为电信号，然后电信号经过手机的基带芯片变为基带信号，再通过手机的射频模块进行射频调制将射频信号发射出去，基站侧接收射频信号通过RRU（射频拉远单元）进行解调，通过光纤传输至BBU(基带处理单元)，再到承载网，最后到核心网处理。这就是通信的全过程。下面通过图文的形式详细说一下这个过程。

人的声音通过手机的麦克风转化成模拟电信号，模拟电信号再通过信源编码变成离散的数字信号再进行传输，对于语音信号来说，常见的信源编码有PCM编码，AWB编码(VOLTE语音)；对于视频信号而言，常见的信源编码有MP4、H.264、 H.265等，下面稍微提一下语音信号的PCM编码，这也就是樊昌信老师的《通信原理》中模拟信号的数字传输，其基本的流程是采样—>量化—>编码，最终变成离散的数字信号，具体的示意图如下：

离散的数字信号再通过信道编码进行传输，为什么要进行信道编码呢？基带信号在传输过程中易受到干扰和衰减，为了有效的抵抗信道中干扰和衰减，信道编码通过增加冗余信息，提高传输效率，所以才进行信道编码，在LTE系统中，信道编码采用的Turbo码，而在5G的R15规范中，业务信道采用了LDPC编码，控制信道采用了Polar编码。信道编码，和信源编码完全不同。信源编码是减少“体积”。信道编码恰好相反，是增加“体积”。

基带信号通过调制变成调制信号，常见的调制方式有模拟调制和数字调制两种，常见的模拟调制有AM、FM和PM调制，常见的数字调制有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK），还有正交幅度调制(QAM)。QAM的数学描述及Matlab仿真，具体可见通信基础：星座图与IQ调制

接下来就是射频登场了，一般来说，射频是指频率范围在300KHz~300GHz的高频电磁波。
由于频率低于100kHz的电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输。频率高于100kHz的电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射基带送过来的信号频率很低。这种具有远距离传输能力的高频电磁波，才称为射频（信号），而射频要做的事情，就是继续对信号进行调制，从低频，调制到指定的高频频段。例如900MHz的GSM频段，1.8GHz的4G LTE频段，3.5GHz的5G频段，进而形成远距离传输能力。

为什么射频要做这样调制，一方面是因为基带信号不利于远距离传输。另一方面由于无线频谱资源紧张，低频频段普遍被别的用途占用。而高频频段资源相对比较丰富，更容易实现大带宽。

接下来说一下，射频调制的数学理论基础。
假设前面的基带调制输出了两路信号：
Ib=Ab(t)sin(wbt);
Qb=Ab(t)cos(wbt);
其中Ab(t)=基带信号的幅度；ωb t=基带信号的相位。
基带信号通常为“零频信号”，即载波为DC，频宽为信号带宽的调制信号；
射频调制数学模型可以用纯粹的三角函数来表示：
cosacosb-sinasinb=cos(a+b)
如果a=ωc t(载波频率，carrier信号，或者称为为LO，本振信号)，b=ωbt代表前述的“基带信号频率”。则可得到：
Qbcos(wct)-Ib*sin(wct)= Ab(t)cos(wbt) cos(wct)-+Ab(t)sin(wbt) sin(-wct)= Ab(t)cos(wc+wb)t
IQ调制电路示意图如上所示。

将射频调制的数学基础反映在手机通信过程中产品中就是手机的RF模块收发器，该收发器主要包括收信单元和发信单元，收信单元完成对基站天线发送过来的接收信号的放大，滤波和下变频最终输出基带信号。一般采用零中频和数字低中频方式来实现射频到基带的变换;而发信单元完成对基带信号的上变频、滤波和放大，主要采用二次变频的方式实现基带信号到射频信号的变换。当射频/中频(RF/IF) IC 接收信号时，收信单元接收来自基站天线的信号(约800MHz~3GHz)经放大、滤波与合成处理后，将射频信号降频为基带信号，接着进行基带信号处理；当射频/中频(RF/IF) IC 发射信号时，则将20KHz以下的基带，进行升频处理，转化为射频频带内的信号发射出去。

本文首先介绍了通信的基本概念，详细分析了信源编码和信道编码的流程，同时引入了信道编码的数学基础，最后以语音通话为例将其放置通信的原理中给予了合理的解释。

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