5G 调制与解调

时间:2024-02-01 19:55:13

  调制,就是将原始信号转换为适合在信道中传输的形式的一种过程,在无线通信中,调制一般均指载波调制,而解调则是调制的逆过程,即将原始信号从已调信号中恢复出来。

  进行载波调制,主要为实现以下目标:

  1)在无线传输中,信号是以电磁波的形式通过天线辐射到空间的。为了获得较高的辐射效率,天线的尺寸必须与发射信号波长相匹配。因此,需要通过调制将基带信号的频谱搬迁至较高的频带,使得已调信号的频域与信道的带通特性相匹配,这样就可以以较小的发送功率和较短的天线来辐射电磁波。
  2)将多个基带信号的频谱搬移至不同的频点,从而实现频分复用,提高频谱利用效率。
  3)扩展信号带宽,提高系统抗干扰、抗衰落能力

  在5G NR中,主要使用正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM),包括BSPK,QPSK,16QAM, 64QAM, 256QAM等;它是一种振幅和相位联合键控的调制方式,由于其矢量图看似星座,故又称为星座(Constellation)调制。在3GPP 38.211协议中,对物理层各信道的调制以及解调方式进行说明。

  在π/2-BPSK中,二进制比特b(i)映射至复值调制符号d(i)

  在BPSK中,二进制比特b(i)映射至复值调制符号d(i)

  在QPSK中,二进制比特b(2i)和b(2i+1)映射至复值调制符号d(i)

  在16QAM中,二进制比特b(4i), b(4i+1), b(4i+2), b(4i+3)映射至复值调制符号d(i)

 

   在64QAM中,二进制比特b(6i), b(6i+1),b(6i+2),b(6i+3),b(6i+4),b(6i+5)映射至复值调制符号d(i)

  在256QAM中,二进制比特b(8i), b(8i+1),b(8i+2),b(8i+3),b(8i+4),b(8i+5),b(8i+6),b(8i+7)映射至复值调制符号d(i)

  下面是通过python实现的调制和硬解调的代码:

 1 # -*- coding: utf-8 -*-
 2 # @Time     :  2019/11/24  10:24
 3 # @Author   :  Administrator
 4 # @File     :  modulator.py
 5 # @Software :  PyCharm
 6 
 7 import numpy as np
 8 
 9 class ModulateTable():
10 
11     def __init__(self, **kwargs):
12         self._bpsk_cor = np.sqrt(1/2)
13         self._qpsk_cor = np.sqrt(1/2)
14         self._16qam_cor = np.sqrt(1/10)
15         self._64qam_cor = np.sqrt(1/42)
16         self._256qam_cor = np.sqrt(1/170)
17 
18         self.const_bit = {'BPSK':  1, 'QPSK': 2, '16QAM': 4}
19         self.bit_table = {'BPSK':  np.array( [0, 1] ),
20                           'QPSK':  np.array([[0, 0], [0, 1], [1, 0], [1, 1]]),
21                           '16QAM': np.array([[0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 1], [0, 0, 1, 0], [0, 0, 1, 1],
22                                              [0, 1, 0, 0], [0, 1, 0, 1], [0, 1, 1, 0], [0, 1, 1, 1],
23                                              [1, 0, 0, 0], [1, 0, 0, 1], [1, 0, 1, 0], [1, 0, 1, 1],
24                                              [1, 1, 0, 0], [1, 1, 0, 1], [1, 1, 1, 0], [1, 1, 1, 1]])}
25 
26     def _bpsk_table(self):
27         return np.array([1+1j, 1-1j])
28 
29     def _qpsk_table(self):
30         return np.array([1+1j, 1-1j, -1+1j, -1-1j])
31 
32     def _16qam_table(self):
33         return np.array([ 3+3j,  1+3j, -1+3j, -3+3j,
34                          -3+1j, -1+1j,  1+1j,  3+1j,
35                           3-1j,  1-1j, -1-1j, -3-1j,
36                          -3-3j, -1-3j,  1-3j,  3-3j])
37 
38 class Modulator(ModulateTable):
39 
40     def __init__(self, **kwargs):
41         super().__init__(**kwargs)
42         self.mod_type = kwargs.get('mod_type', '')
43 
44     def modulate(self, input):
45 
46         self._get_symbol_table()
47         const_bit_num = self.const_bit[self.mod_type]
48         bit_table = self._get_bit_table(const_bit_num)
49 
50         input = input.reshape((-1, const_bit_num))
51         order = np.dot(input, bit_table)
52         ouput = self.symbol_table[order]
53 
54         return ouput
55 
56     def demodu_hard(self, input):
57 
58         self._get_symbol_table()
59         bit_table = self.bit_table[self.mod_type]
60         min_loc = list(map(self.cal_distance, input))
61         output = bit_table[min_loc].flatten()
62 
63         return output
64 
65     def demodu_soft(self, input):
66         pass
67 
68     def cal_distance(self, rec_symbol):
69         return np.argmin(abs(rec_symbol - self.symbol_table))
70 
71     def _get_symbol_table(self):
72 
73         if self.mod_type == 'BPSK':
74             self.symbol_table = self._bpsk_table() * self._bpsk_cor
75         elif self.mod_type == 'QPSK':
76             self.symbol_table = self._qpsk_table() * self._qpsk_cor
77         elif self.mod_type == '16QAM':
78             self.symbol_table = self._16qam_table() * self._16qam_cor
79         else:
80             raise ValueError("Only support BPSK, QPSK, 16QAM in modulate!")
81 
82     def _get_bit_table(self, bit_num):
83         return np.logspace((bit_num - 1), 0, bit_num, endpoint=True, base=2).astype(np.int)
84 
85 
86 if __name__ == '__main__':
87 
88     input = np.random.randint(0, 2, 1024)
89 
90     modu = Modulator(mod_type='16QAM')
91     demodu_in = modu.modulate(input)
92     demodu_ou = modu.demodu_hard(demodu_in)
93     print(demodu_in)
94     print(demodu_ou)
95 
96     if (input == demodu_ou).all():
97         print("right")
98     else:
99         print("error")