數字無線系統的基本結構

目錄

• 數字無線系統的基本結構
• • 先提一嘴
  • 發射端
  • • 二進制比特
    • 加擾
    • 信道編碼
    • 交織
    • 映射
    • 過采樣
    • 成型濾波器
    • 數字上變頻
    • 數模轉化
    • 模擬上變頻
    • 功放發射
  • 接收端
  • • 低噪放大器
    • 模擬下變頻
    • 模數轉換
    • 數字下變頻
    • 匹配濾波
    • 同步
    • 均衡
    • 判決
    • 解交織
    • 譯碼
    • 解擾
  • 后記

先提一嘴

本文從發射端和接收端兩個方面簡單闡述一個數字無線通信系統的基本結構，可能存在一定的不完整之處。

發射端

二進制比特

發送上位機產生二進制比特數據，此處沒什么好說的

加擾

加擾(Scrambling)的主要目的是用于將二進制比特隨機化，使用的方式是將加擾碼和原始的二進制比特相乘，此處的加擾碼是一種偽隨機的噪聲序列。

加擾的目的主要是：

避免出現長連的0和1

加密

擴頻

有時也可以用于區分設備

此處要注意的是，加擾和交織是兩個乍一看相似，都是將數據打亂，但是其實區別很大，其中硬件上的實現也完全不同，加擾是通過加擾碼與數據的乘積得到，但是交織是通過特定的內存讀寫順序來改變數據的讀寫順序。

信道編碼

很多人一開始分不清信源編碼和信道編碼的區別，其實理解了就很簡單：

信道編碼的主要目的是將碼由短變長，增加碼字之間的相關性
信源編碼的主要目的是將碼由長變短，增加碼字之間的有效性

在一些研究生復試的提問環節，就會有老師很喜歡問二者的區別，以及二者為什么不一起實現

信道編碼的分為兩個大類，分為分組碼和卷積碼兩個大方面，其中分組碼是無記憶的，而卷積碼是有記憶的，類似于有限狀態機（或者馬爾可夫過程）。

目前常用的系統中的信道編碼方案有最基礎的卷積碼，以及在卷積碼上加入了刪余等其他操作的turbo碼，稱為turbo碼的原因是因為其譯碼是所采用的譯碼結構具有循環迭代的特性，就像發動機的渦輪一樣，故得此名，turbo碼目前。由于turbo碼的譯碼較為復雜，所以又根據奇偶校驗碼研發了低密度奇偶校驗碼(LDPC)，LDPC碼目前廣泛運用于4G和5G通信中，目前實現較為成熟。除此之外，還有華為提出的極化碼，這其中創新性的提出了信道極化的概念，將多個信道通過簡單的加法運算將極化為一半是高正確率的信道，即出錯的概率很低，以及一半是低正確率的信道，即出錯的概率很高。這一創新的設計被用在了5G的控制信道中。

交織

正如上述對于加擾的介紹中提到的一樣，交織(Interweave)這一概念就像它的名字一樣，就像紡織廠里的紡車一樣，將一串數據變長一張網，首先將一串數據橫著放入一個矩陣，并將這串數字豎著從矩陣中取出，簡單畫了個圖演示了一下。

交織有一個很好的好處就是如果數據出現丟失，不會出現連續的丟失，同樣也保證了安全性。
其硬件實現的方式就是在FPGA中建立一個RAM，對讀取到的數據進行緩存，然后通過特定的地址進行輸出，就可以進行交織，解交織的原理本質上是一樣的。

映射

此處的映射，本質上就是調制，這里的調制指的是數字調制，他與我們傳統意義上說的調制有很大的區別，可能學過通信原理都知道，模擬調制就是對發射的信號，乘以一個高頻的載波，將其搬到高頻處進行發射。但是數字調制不同，數字調制要做的是將原本的二進制數據變成復數，即a+b*j的形式，映射到星座圖上，不同的調制方式對應不同的星座圖映射，這樣可以增大頻譜的利用率，并減小干擾。

過采樣

經過

成型濾波器

數字上變頻

數模轉化

模擬上變頻

功放發射

接收端

低噪放大器

模擬下變頻

模數轉換

數字下變頻

從模數轉化出來的信號其實不是我們真正想要的數字信號，因為其頻率依舊很高，一般的信號處理器無法對其處理，所以需要一個數字下變頻的過程將采樣頻率調低。具體在工程當中的步驟為

混頻

過低通濾波器

過CIC濾波器或FIR濾波器采樣

匹配濾波

匹配濾波器和成型濾波器是成對出現的

同步

均衡

均衡所使用的濾波器是現代濾波器

判決

判決的本質其實就是解調，通過對星座圖上的點進行判決，得到正確的信息，判決的依據是根據數據在星座圖上的點和標準的點哪一個更加接近來進行判決，其中“接近”就涉及到判決距離的依據。除此之外，更重要的是這里的判決的結果實際上并不是最終的結果，而是對應一種概率，即似然概率，因為當一個數據在星座圖上的位置處于一個很尷尬的位置時，就需要考慮出錯的概率，此處的概率一般用于譯碼時的先驗知識。

解交織

和交織類似，通過特定的地址讀取得到正確順序的結果

譯碼

根據不同的信道編碼方式，有不同的譯碼方式。其中較為經典的是MAP算法，以及將其映射到對數域的LOG-MAP算法，以及將對數域中的求最大值的函數進行近似替換得到的MAX-LOG-MAP算法。

解擾

解擾和加擾相互對應，使用同一套擾碼即可恢復。

后記

這個博客可能會長期更新
本文于2021年1月1日開始創作

總結

以上是生活随笔為你收集整理的无线通信系统的基本结构的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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