物理信道、信号、映射的介绍
一、物理信道、信号、映射概述
我们可以用一个生动的比喻来开始：快递系统。
物理信道：就像公路、铁路、空中航线。它是信号传输的物理媒介，比如同轴电缆、光纤、无线电磁波。它只关心能不能把“货物”从A点送到B点，不关心货物是什么。
信号：就像在公路上跑的卡车。它是信息的物理载体，是电压、光强度、电磁波等随时间/空间变化的物理量。我们通过控制卡车的“样子”（比如颜色、形状）来代表不同的信息。
映射：就像把要寄送的货物（书本、衣服）打包、装箱、贴上标签，然后装上卡车的过程。它是一个转换过程，将高层（数据链路层）下来的、抽象的二进制比特（0和1），转换成物理信道上可以传输的特定格式的“信号”。
1. 物理信道
定义：传输信号通过的具体物理路径或频带。
核心特征：
带宽：信道能够无失真传输信号的频率范围。好比公路的车道数，车道越多，同时能跑的车越多，数据速率越高。
损耗：信号在信道中传输会衰减（能量减弱）。
噪声：信道中不可避免的存在干扰，会使信号失真。好比公路上的天气影响（雨、雾）。
延迟：信号从发送端到接收端所需的时间。
例子：
有线信道：双绞线（网线）、同轴电缆、光纤。
无线信道：特定频率的电磁波（如2.4GHz WiFi频段、5G的毫米波频段）。
2. 信号
定义：数据的电磁或电气表示，是信息在物理信道上的存在形式。
核心分类：
模拟信号：连续变化的波形。例如，传统的电话线中的声音信号。
数字信号：离散的、不连续的脉冲序列。例如，计算机内部和处理的数据。现代通信主要是数字通信。
关键参数：
幅度：信号的强度。
频率：信号每秒钟变化的次数。
相位：信号波形在周期内的相对位置。
3. 映射
定义：将二进制比特流转换为适合在物理信道上传输的信号波形的规则和过程。
核心思想：为不同的比特组合（如00, 01, 10, 11）分配一个特定的信号状态（如特定的幅度、频率或相位）。
简单例子：用一个高电平电压代表‘1’，一个低电平电压代表‘0’。这就是一种最简单的映射。
二、技术细节
这部分是理解现代通信（如WiFi， 5G）如何工作的关键。
1. 物理信道的深入：从“管道”到“环境”
仅仅把信道看作管道是不够的。在无线通信中，信道是一个极其复杂的传输环境。
衰落：信号强度随着传输距离和环境影响而随机起伏。包括：
大尺度衰落：由路径损耗和阴影效应（被建筑物阻挡）引起。
小尺度衰落：由多径效应引起（信号经过不同路径，到达接收端时间不同，相互叠加或抵消）。这就像在山谷里大喊，听到的是多个回声的混合。
信道估计与均衡：为了克服衰落的影响，系统会发送已知的导频信号，接收端通过分析接收到的导频信号来“学习”当前信道的特性（即信道估计），然后使用均衡器来反向补偿信道造成失真。
2. 信号的深入：调制技术
“映射”在信号层面的具体实现就是调制。调制是物理层技术的灵魂。
为什么需要调制？
频谱搬移：将低频基带信号搬移到高频载波上，才能通过天线有效辐射出去（天线尺寸与波长有关）。
信道复用：通过将不同信号调制到不同频率的载波上，实现频分复用，让多个用户共享同一物理介质。
数字调制技术（核心）：
我们通过改变载波（一个正弦波）的幅度(A)、频率(F)、相位(P) 来表示0和1。
基本调制：
ASK：用不同的幅度表示0和1。抗噪能力差，很少单独使用。
FSK：用不同的频率表示0和1。抗噪能力较强，用于低速系统（如无线门铃）。
PSK：用不同的相位表示0和1。这是现代通信的基石。
BPSK：用0°和180°两种相位，表示1比特（0或1）。非常稳健，用于恶劣环境。
QPSK：用0°, 90°, 180°, 270°四种相位，表示2比特（00, 01, 10, 11）。效率是BPSK的两倍。
高级调制：正交振幅调制
这是将幅度和相位联合进行调制，形成一个星座图。
16QAM, 64QAM, 256QAM：数字越大，星座图上的点越密集，一个符号能表示的比特数越多（16QAM是4bit，64QAM是6bit），传输效率越高。
权衡：星座点越密集，对信道的质量（信噪比）要求越高，抗噪能力越差。因此，系统会根据信道状况自适应地选择调制方式：信道好时用高阶QAM（如256QAM）追求高速率；信道差时回退到稳健的QPSK或BPSK保证连通性。
3. 映射的深入：从比特到符号再到射频波形
“映射”是一个多步骤的、严谨的流水线过程。我们以4G/5G的发射机为例：
信道编码与交织：
输入：来自MAC层的传输块。
操作：添加冗余比特（纠错码，如LDPC、Polar码），使得在出现误码时接收端可以自行纠正。然后将比特顺序打乱（交织），以对抗突发的长串误码。
输出：编码后的比特流。
调制映射器：
输入：编码后的比特流。
操作：这是狭义上的“映射”。根据选择的调制方案（如QPSK， 16QAM），将每 k 个比特分组（如16QAM中k=4），并按照星座图的规则，映射为一个复数符号。例如，比特‘0010’被映射为符号 (1+1j)。
输出：一串复数符号流。
层映射与预编码 (MIMO技术)：
操作：将符号流分配到多个天线上，以提升速率或可靠性。
资源元素映射 (OFDM技术)：
操作：这是物理信道资源的最终映射。系统将每个符号精确地放置到一个二维的时频资源网格中特定的“小格子”（称为资源元素）上。这个网格的行是子载波（频率），列是OFDM符号（时间）。
控制信息、用户数据、参考信号都被映射到网格中不同的、预定好的位置。
输出：一个完整的时频资源网格。
OFDM调制与上变频：
操作：通过IFFT将整个时频网格转换为时域信号，加上循环前缀抗多径干扰。最后通过射频前端将基带信号上变频到指定的射频频段，通过天线发射出去。
总结这个映射流程：
信息比特 -> 信道编码 -> 调制映射（比特到符号） -> 资源网格映射（符号到物理资源） -> OFDM信号 -> 射频信号
三、总结
物理信道是舞台，它有其固有的条件和限制（带宽、噪声、衰落）。
信号是演员的表演，其形式（调制方式）需要根据舞台的条件（信道质量）来调整。
映射是整个导演和编排过程，它决定了如何将剧本（信息比特）转化为演员在舞台上的具体走位、动作和台词（在时频资源网格上的信号），以实现高效、可靠的演出（通信）。
这三者紧密耦合，共同构成了物理层设计的核心。理解它们之间的关系，是理解任何现代通信系统（从Wi-Fi到5G，从蓝牙到卫星通信）工作原理的基础。物理层所有的技术进步，几乎都是围绕着如何更智能地利用信道、设计更高效的信号和更精巧的映射方法来展开的。