无线通信中的信号变换
无线通信中的信号变换
无线通信中的信号变换
前言
在无线通信系统中，信号的变换是一个复杂而精妙的过程。从信源到信宿，信号需要经过多个环节的处理和转换，才能在信道中可靠地传输。本文将对无线通信中的信号变换过程进行梳理，帮助读者理解信号在通信系统中的流动和变换。
通信系统模型
一个典型的无线通信系统模型可以简单理解为信源和信宿通过信道收发信息的过程。在这个过程中，原始信号由信源转换为原始电信号（即基带信号）。根据原始信号的种类，信源可以分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续的模拟信号，数字信源输出离散的数字信号。
发信机和收信机是信号变换和流动的关键环节。发信机对信源发出的信息进行必要的检错和纠错编码等处理后，将其转换为适合在信道上传输的信号。收信机则从信道上接收信号，进行检错和纠错处理后，将信息恢复出来发给信宿。
信源编码
信源编码包含两个主要过程：
- 模/数（A/D）转换：针对模拟信源，包括采样、量化、编码三个过程。
- 采样：以固定的时间间隔对模拟信号进行抽样，将模拟信号在时间上离散化。
- 量化：将采样信号的电平归一化到有限个量化电平上，实现采样信号幅度的离散化。
- 编码：将量化后的信号电平值用二进制数字表示。
- 压缩编码：通过数据压缩技术减少信息的冗余度、减少消息码元数目、降低对码元速率的要求，从而提高通信的有效性。
信源编码中信号的变换和流动可以用下图表述：
信道编码与交织
信道编码的引入，是为了解决数据在信道中传输时引入的误码问题。数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了较小差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分，组成所谓的“抗干扰编码”。接受端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。
解决误码问题有两个方法：
- 接收端在发现误码后，请求发送端对错误数据进行重传，称为后向纠错。
- 发送端在发送数据时加入一定的冗余信息，以便在出现误码时接收端可以直接进行纠错，称为前向纠错。
数字调制过程
调制主要指将基带信号的频谱搬移到射频载波的过程。随着“调制”一词内涵的逐渐扩大，从信息比特映射到基带信号的过程也被称为调制。
信源编码与交织过程后，原始电信号以经过加工的数字比特的形式在通信系统中进行流动。接下来通信链路的任务就是将数字比特映射到基带信号，再将基带信号搬移至射频载波。
比特映射
比特映射的方式主要为三种：幅移键控（ASK）、相移键控（PSK）、频移键控（FSK）。通常使用复基带信号的表达方式表示符号，符号一般为复数，可以取 M 个离散值，从而一个符号可以表示 log2(M) 个比特。
以 4QAM 和 16QAM 为例，每一种不同的组合，称为一种码元，对应一种不同幅度和相位的余弦波。可以看到，16QAM 的映射方式中，幅度和相位的组合共有16种，则一个 16QAM 符号可以表示4个 bit。
脉冲成形
脉冲成形器 g(t) 是一个实函数，叫做脉冲成形（pulse shaping）函数，起到基带滤波和控制带外泄露的作用。每个符号（码元）通过 g(t) 产生一个波形，把所有符号的波形按照时间顺序累加起来，就得到了复基带信号 s(t)。
调制过程
经过比特映射和脉冲成形后，二进制数据流的数字比特变为了复数表示的基带信号。得到基带信号 s(t) 后，需要将其搬移到射频。基带信号一般为复数表示，那么就有 cos 和 sin 分量，相应的，在传输过程中，采用IQ调制，即同时传输同相支路（I 路）和正交支路（Q 路）。
如上图，两个之路的基带信号经过成形滤波器后，分别和高频载波进行混频（两个载波之间有 90° 的相位差），从而将低频的基带信号搬移至高频的载波信号。两个支路的高频信号叠加后，即为传入天线端的射频信号。
总结
综上所述，我们可以清晰地了解到信号在通信系统中的流动过程，包括其表现形式、实现方式以及作用。射频信号到天线后，经由天线发送至无线信道，再由接收天线接收。接收到的射频信号经过下变频后，再经历上述发送过程的逆运算，即可得到发送信号。
参考文献
- 《深入浅出通信原理》陈爱军，清华大学出版社
- 《现代通信原理与技术》（第三版）张辉，曹丽娜，西安电子科技大学出版社
- 《无线通信》Andrea Goldsmith，人民邮电出版社
- 《通信之道 从微积分到5G》杨学志，电子工业出版社