通信物理層是通信系統的基礎，其任務是將數字信息轉換為模擬信號并傳輸到接收端，然后將模擬信號轉換回數字信息。通信物理層包括信源編碼、信道編碼、交織、調制、整形、上變頻、信道傳輸、下變頻、同步捕獲、載波同步、信道估計、信道均衡、解調、解交織、信道譯碼和信宿譯碼等過程。下面對各個模塊進行簡要介紹：

信源編碼是將數字信息轉換為比特流的過程。在信源編碼中，通常使用熵編碼來減小信源的冗余度，提高信道的利用率。熵編碼包括霍夫曼編碼、算術編碼等。

信道編碼是為了提高信號傳輸的可靠性而進行的編碼。信道編碼采用一定的編碼規則將輸入數據序列映射到一個編碼序列。常用的信道編碼方法包括卷積碼、分組碼、低密度奇偶校驗碼（LDPC碼）、極化碼（Polar碼）等。

速率匹配：無線信道的質量是隨時變換的，而不是固定不變或事先確定的。不同的信道質量，調制解調的方式不同。無線信道質量越好，越可以采用高階調制，且相同的RE時頻資源，傳輸的數據速率越高。也就說，分配給用戶的業務信道，即使是時頻資源都不發生變化，通過其傳輸的數據速率也是根據業務信道的質量變化實時變化的，取決于調制階數。在LTE、NR中，均需要進行速率匹配。

交織是為了防止數據在信道傳輸過程中出現串擾而進行的處理。交織操作將數據分成若干塊，并將這些塊按照一定的規則重新排列，以達到減少串擾的效果。通常根據調制方式，進行“行進（寫）列出（讀）”的交織處理。

加擾：為減小臨近小區之間的干擾，并將干擾隨機化。設計數字通信系統時，通常假設信源序列是隨機序列，而實際信源發出的序列不一定滿足此條件，尤其出現長0串時，給接收端提取信號帶來一定困難。通常，接收端的碼元同步信號是從接收到的數字信號的“0”和“1”的交變時刻中提取的，如果序列中經常出現長游程（0或1游程），則將會長時間不出現“0”和“1”碼元的交變點，從而影響碼元同步的建立和保持。因此，需要對信源序列進行擾碼處理，使其隨機化。擾碼可以減少連“0”或連“1”的長度，保證接收機能提取到定時信號。

在LTE、NR等協議中，加擾過程需要根據參數生成偽隨機序列，再生成加擾序列，與碼字進行模2加。例在5G的PDSCH信道的加擾如下圖所示。

符號調制是將數字信號轉換為模擬信號的過程。符號調制可以分為模擬調制和數字調制。模擬調制通常采用調幅、調頻、調相等基帶調制方式。數字調制通常采用ASK、PSK、FSK、QAM等調制方式。在數字調制中，調制器將輸入的數字信號轉換為一系列符號，并將這些符號映射到特定的調制信號上。

脈沖整形是為了將調制后的信號變為可傳輸的信號，而進行的一種信號變換。整形通常采用匹配濾波器、帶通濾波器等處理方法。

上變頻（DUC）是為了將中心頻率移動到與信道傳輸頻帶相對應的頻率。上變頻通常采用混頻器、濾波器等方法。

信道傳輸是將信號通過信道傳輸到接收端。信道可以是空氣中的電磁波信道，也可以是導線等有線信道。信道傳輸中，信號可能會受到衰減、噪聲等影響，因此需要進行信道估計和均衡操作。在通信系統中，我們還需要通過DA/DA轉換完成信號的數模/模數轉換，天線系統完成信號的收發。

下變頻（DDC）是將接收到的信號下變到基帶信號，以便進行解調和譯碼操作。下變頻通常采用混頻器、濾波器等方法。

在通信物理層中，同步捕獲、載波同步、信道估計、信道均衡、解調、譯碼、解交織、信道譯碼等操作是為了消除信號傳輸過程中產生的各種干擾和失真，使信號能夠在接收端被正確地還原出來，保證傳輸質量和數據可靠性。

同步捕獲是指在接收端對接收到的信號進行時鐘同步以及采樣。在接收端接收到信號后，需要將信號與本地同步序列做互相關計算，以保證數據起始位置的正確接收。

載波同步是指在接收端對接收到的信號進行載波頻率同步。由于信號在傳輸過程中會受到多種因素的影響，包括多普勒效應、信號傳輸路徑等，導致接收端接收到的信號與發送端的信號存在一定的頻率偏移。因此需要進行載波同步，將接收到的信號的頻率與發送端信號的頻率相匹配。載波同步通常采用 Costas 循環器、 PLL 等技術實現。

對于同步技術，可參考Mengali的《Synchronization Techniques for Digital Receivers》。

信道估計是為了預測信道傳輸過程中信號的傳輸情況，以便對接收到的信號進行正確處理。信道估計通常采用最小二乘估計、卡爾曼濾波等技術實現。

信道估計是通信系統接收機的重要功能模塊，主要是用來估計信號所經歷信道的沖擊響應，并用于后續的信道均衡處理，以便消除多徑信號混疊造成的ISI。信道估計的方法有很多種，大體上可分為兩類，一類是基于訓練序列的信道估計，而另一類是信道的盲估計（自適應估計），其估計過程不依賴已知信息。常見通信系統的信道估計，絕大部分是基于訓練序列的估計方法，這里面最最常用的兩個信道估計算法就是最小二乘算法（LS）和最小均方誤差算法（MMSE）。

信道均衡是為了消除或者是減弱寬帶通信時的多徑時延帶來的碼間串擾ISI問題，消除信號傳輸過程中產生的衰減和失真等干擾，使接收到的信號能夠正確地還原出來。大體上分為兩大類：線性與非線性均衡。

信道均衡通常采用均衡濾波器（自適應濾波）、迫零均衡算法（ZF）、最小均方誤差算法（MMSE）等技術實現。

解調是將調制后的信號還原為數字信號的過程。解調通常采用相關檢測、判決反饋等技術實現。在現代通信的高階調制中，軟解調技術通過求解對數似然比（LLR），提高信道譯碼器的性能。

解擾：發射端加擾的逆過程，同樣需要生成擾碼序列進行解擾。

解交織是為了消除串擾而進行的處理，是發射端交織的逆過程。解交織操作將接收到的交織數據分成若干塊，并將這些塊按照交織規則重新排列，以達到消除串擾的效果。

信道譯碼是將接收到的編碼數據序列轉換回原始數據的過程。譯碼通常采用 Viterbi 算法、迭代解碼等技術實現。信道譯碼是為了在信道傳輸過程中能夠糾正由于噪聲等因素引起的誤碼而進行的糾錯。信道譯碼通常采用 BCH 碼、LDPC 碼等技術實現。

最后，信宿譯碼是為了將譯碼后的數字信號轉換為目標數據格式。

②如何落地實現物理層

從物理層概念到落實具體工程項目，我們需要：

1. 必備知識：掌握無線通信原理、數字信號處理、信號與系統、矩陣分析等相關課程理論知識，熟悉OFDM、MIMO等通信技術；

2.熟悉協議：NR、LTE、802.11、DVB等，要在具體工作中，熟悉或掌握通信協議標準。

3.閱讀文獻：大量閱讀IEEE文獻和碩博論文，以及3GPP/ITU上一些廠商提案，輔助理解協議和算法實現。能夠利用MATLAB ToolBox等資源，掌握信號源產生、波形生成、調制解調、加噪等方法。

4.公式推導：關鍵算法的公式推推導過，且用MATLAB或C語言仿真實現過。

5.系統建模：在硬件實現物理層之前，需要有完整的算法鏈路完成系統仿真，確定系統性能指標和實現的難易程度及資源開銷。

6.工程實現：能夠用DSP或FPGA實現物理層算法，合理劃分功能模塊，定義通信接口，恰當使用成熟的IP模塊和自研編寫功能模塊，完成物理層的硬件電路實現。同時，掌握常用儀器的使用方法，如信號源、頻譜儀等。

7.解決問題：通信系統的實現，離不開高層協議軟件和物理層以及整機的配合，需要在繁雜的過程中快速定位研發過程中出現的一系列問題，既需要豐富的經驗，也需要科學的工程技術實踐方法。

需要注意的是，根據不同的協議或波形需求設計，整個物理層可能有不同的規模和復雜度，需要一個團隊共同完成設計、開發、驗證，最終形成產品。

審核編輯：劉清