【導讀】大家好，今天我們來聊聊調制。說到調制，我想很多同學馬上會聯想到這些關鍵詞：BPSK、QPSK、調幅、調相、QAM、星座圖……
大家好，今天我們來聊聊調制。說到調制，我想很多同學馬上會聯想到這些關鍵詞：BPSK、QPSK、調幅、調相、QAM、星座圖……
眾所周知，調制和解調是通信基本業務流程中的重要組成部分。沒有它們，我們的移動通信根本無法實現。
那么，究竟什么是調制?為什么要調制?5G又是怎么調制的呢?接下來，我們逐一介紹。
調制是做什么用的呢?
讓我們看一下生活中的一個例子：我們每天都在出行。出行的時候，我們會根據行程選擇適合的交通工具。
乘坐不同的交通工具，出行的速度也會有快有慢。整個過程，大概就是這樣一個模型：
實際上，通信系統和這個模型類似。上面的出行模型，是把人從出發點運輸到目的地。而通信系統，是把數據信號從發送端傳輸到接收端。我們進行以下轉換：
就可以類比出一個簡單的通信模型：
看出來了吧？“調制”，就像為信號找一個交通工具，讓它載著信息穿過信道到達目的地。
我們知道，在無線信道中，信號是以電磁波的形式傳遞的。那么，電磁波怎么來傳遞信息呢?
我們先來舉一個“用水果傳遞信息”例子。
例如，我們要傳遞0和1，可以讓蘋果代表0，香蕉代表1。
我們發送給接收端，接收方收到后一看是蘋果就知道是發送的是0，一收到香蕉，就知道發送的是1。
換一種方式，如果只能用蘋果來傳遞信息呢?
我們約定讓紅蘋果代表0，綠蘋果代表1。
接收方一看是紅蘋果，就知道是發送的是0。收到綠蘋果，就知道發送的是1。
再換一種方式。如果只有紅蘋果，怎么傳遞信息呢?
我們可以用大的紅蘋果來代表0，小的紅蘋果代表1。一看是大紅蘋果，就知道是發送的是0。收到小紅蘋果，就知道發送的是1。
在這個過程中，我們其實用的是水果的種類、顏色、大小這3個特征來傳遞信息的。
類似的，電磁波可以用正弦波來描述。一個正弦波也有3大特征，幅度，相位，頻率。我們可以利用電磁波的這3大特征來傳遞信息。
下面的公式(1)，描述了一個正弦波信號：
所謂調幅、調頻、調相，就是下圖的樣子：
看出來了沒?0和1，被“調”進了不同的電磁波波形之中。
5G速度那么快，它是怎么調制的呢?
在3GPP協議(TS 38.201)中，定義了5G支持的調制方式如下：
按照使用的載波的特征的不同，5G采用的調制方式可以分為兩大類：
載波的相位變化，幅度不變化：π/2-BPSK, QPSK。這就是前面說的PSK(Phase-Shift keying相移鍵控)。
載波的相位和幅度都變化：16QAM, 64QAM，256QAM。這一類專業名詞叫做QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調制)。
星座圖
各種調制方式之間的差異，還是不太容易理解。
想一想，為什么我們能很容易區分各種水果的不同?(什么是蘋果，什么是香蕉，什么是紅蘋果，什么是大蘋果。)
這是因為我們見過實物，看到過不同狀態的水果。
那么，我們能不能把調制方式也用圖表示起來呢?
可以。為了直觀的表示各種調制方式，我們引入一種叫做星座圖的工具。星座圖中的點，可以指示調制信號的幅度和相位的可能狀態。
BPSK定義了2種相位，分別表示0和1，因此BPSK可以在每個載波上調制1比特的信息。
π/2-BPSK是BPSK在序列的奇數位時調制信號相位偏移π/2，序列的偶數位時和BPSK調制信號的相位一樣，也就是π/2-BPSK定義了4種相位來表示0和1。
QPSK全稱是正交相移鍵控，它定義了4個不同的相位，分別表示00、01、10、11，因此QPSK可以在每個載波上調制2比特的信息。
16QAM：一個符號代表4bit。
64QAM：一個符號代表6bit。
256QAM：一個符號代表8bit。來個動圖，幫助理解：
QAM示意圖(來自cisco)
從星座圖中可以看出PSK調制信號的幅度不變，相位有變化。QAM調制信號的幅度和相位在變化。
正是因為每個符號能代表的bit數不斷提升，使得攜帶的信息量提升，最終讓這個“交通工具”能顯著提升速率。
可能大家覺得5G好像也不是很難的樣子嘛。既然我們已經有了通信模型和星座圖兩大法寶，是不是可以自己打造一套下一代通信系統出來呢?
Hoho，你以為256QAM就是那么簡單就搞出來的嗎?上圖!
3GPP 38.211協議中定義的5G調制方式的映射關系
懵圈了!有木有? 通信搞到最后，都是數學!
調制和解調原理
我們再簡單講一下調制和解調的原理。
5G的各種調制方式，都可以使用IQ調制解調來實現。
我們從公式1出發，進行各種神奇的公式轉換。
將公式2畫成框圖，這個就是IQ調制：
解調是把接收到的調制信號提取出來的過程，調制信號經過解調轉換為原始的信號。解調的過程可以通過下面的公式來解釋。
通過公式3可以看到，接收信號在乘以對應相位的載波后，進行積分，可以得到原始的信號，將公式3畫成框圖，這個就是IQ解調。
將2個框圖結合起來，我們下面給出IQ調制和解調的框圖。
IQ調制可以用復數的形式進行理解。調制的公式描述：
解調的公式描述：
對應的我們給出復數形式的框圖。
這個框圖搭配上前面3GPP協議里面的5G調制映射關系，就是一個較為完整的5G的調制和解調過程。是不是徹底懵圈啦?調制解調，從入門到放棄!
