通信算法之116: 通信物理层

Posted 2023-03-07 leeshao12

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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、译码和信宿等过程。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、块码、低密度奇偶校验码等。

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。

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。

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。

下变频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。

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。

信道均衡是为了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。信道均衡通常采用均衡滤波器等技术实现。

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。

解交织是为了消除串扰而进行的处理。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。

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