OFDM、IQ调制与AxC技术介绍

一、IQ调制：无线通信的基石

IQ调制是现代无线通信的基石。它是一种利用两个相互正交（相位差90度）的载波（通常是正弦和余弦波）来传递信息的技术。

I： In-phase，同相分量。

Q： Quadrature，正交分量。

在数字领域，任何复杂的信息（声音、图像、数据）最终都会被转换成0和1的比特流。IQ调制的作用，就是将这些比特流“映射”到无线电波上。

1、为什么需要IQ

单一的载波（如AM或BPSK）一次只能传输一个比特（0或1），频谱效率低。

IQ调制可以看作是一个二维的调制空间。I轴和Q轴是两个独立的维度，允许我们在同一个频率、同一段时间内，传输两个独立的数据流。这直接将频谱效率提升了一倍。

2、数学本质：复数表示

一个复数可以用 实部（I） 和 虚部（Q） 来表示：S = I + jQ。

无线电波是实信号，但通过IQ调制，我们可以在数学上等效地处理一个复信号，这极大地简化了分析和设计。

发射端的IQ调制过程可以表示为：

s(t) = I(t) * cos(2πf_c t) - Q(t) * sin(2πf_c t)

其中：

• s(t) 是最终发射的实射频信号。
• I(t) 和 Q(t) 是由比特流映射出来的基带信号（例如，±1的脉冲）。
• f_c 是载波频率。

3、星座图：信息的“地图”

将比特组合映射到特定的(I, Q)坐标点上，就形成了星座图。

例如：

• QPSK： 2比特映射到4个点，如 (1,1), (1,-1), (-1,1), (-1,-1)。
• 16-QAM： 4比特映射到16个点，点的分布更密集，能传输更多信息，但对噪声更敏感。

4、接收端：IQ解调

接收端通过相干解调，分别用cos(2πf_c t)和-sin(2πf_c t)与接收到的信号相乘，再经过低通滤波器，即可恢复出原始的I(t)和Q(t)，进而判断出发送的是哪个星座点，最终还原出比特流。

核心思想：IQ调制通过创造了一个二维的“信号空间”，让我们能在单一载波频率上高效地传输信息，它是所有高阶调制技术的基础。

二、AxC：面向天线系统的数据流

AxC，全称Antenna Carrier，是CPRI（通用公共无线电接口）和后续的eCPRI/O-RAN协议中定义的一个数据流概念。它不是一个具体的调制技术，而是一种数据封装和传输的格式。

• Antenna： 代表它关联到特定的物理天线或天线端口。

• Carrier： 代表它承载了一个特定载波（具有特定中心频率和带宽）上的数据。

一个AxC数据流包含了在特定天线、特定载波上，一个基本采样周期内的所有IQ数据。

深入理解与作用

1、它是什么

在4G/5G的分布式基站架构中，基站被拆分为：

RU： 射频单元，负责射频处理（数模转换、上下变频、功率放大）。

DU： 分布式单元，负责基带物理层处理（信道编码/解码、调制/解调、资源映射）。

RU和DU之间通过前传网络（如光纤）连接。AxC就是在这个前传链路上传输的“货物”。

2、内容与格式

一个AxC数据流本质上是一个时间序列的IQ样本对。

例如，对于20MHz带宽的LTE信号，采样率可能是30.72 MHz。那么每秒钟就会产生3072万个IQ样本对。每个(I, Q)样本对（例如各16比特）被打包成一个AxC数据包，通过前传链路发送给RU。

RU收到AxC流后，直接对其中的IQ数据进行数模转换、上变频，然后通过天线发射出去。

3、为什么需要AxC

标准化： AxC定义了DU和RU之间交互数据的统一格式，使得不同厂商的DU和RU可以互操作。

** Massive MIMO 的支持**： 在5G Massive MIMO中，一个基站可能有64、128甚至更多天线。系统会为每个天线（或每个波束）生成独立的IQ数据流。AxC概念清晰地标识了每个IQ流属于哪个天线/载波，实现了海量数据流的有序管理。

灵活性： 网络可以根据负载情况，动态地分配或取消某个天线上的某个载波（即AxC）。

核心思想：AxC是基站前传网络中，承载基带IQ数据的标准化、天线化的数据流单元。它是实现分布式基站和Massive MIMO的关键使能技术。

三、OFDM变换要解决的问题

经过物理层信道编码、QAM调制以及RE映射，物理层需要发送的二进制比特流，已经映射到整个频谱带宽上的各个子载波上了。

比如，20M的LTE 带宽, 一共有1200个子载波，如下图所示：

那现在的问题是：如何把频域上各自独立的1200子载波的信号整合在一起，构成一个20M带宽的时域信号，实现正交频分复用的效果？

合成后的基带信号的效果如下图所示：

合成的基带时域信号，在时间上看，就是信号的幅度与时间的函数。

时域（Time domain）：是描述数学函数或物理信号对时间的关系。这里主要是指一个信号的幅度可以表达信号随着时间的变化。

频域（Frequency domain）： 是描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系，这里主要是指一个基带信号的幅度在各个子载波频率分量上的组成关系。

传统的频分复用和正交频分复用OFDM变换，也称为傅里叶逆变换可以解决相关的问题。

四、OFDM：对抗多径衰落的利器

OFDM，正交频分复用，是一种多载波调制技术。它将一个高速的数据流，分割成许多个低速的子数据流，然后用这些子数据流分别调制一系列相互正交的子载波，并同时传输。

1、核心问题：码间干扰

在单载波系统中，高速数据流会导致符号周期很短。无线信道中的多径效应（信号经不同路径到达接收机）会使前一个符号的“尾巴”干扰后一个符号的“头部”，造成严重误码。

2、OFDM的解决方案

分而治之： 将宽频信道划分为大量狭窄的、平行的子载波。每个子载波上的数据速率很低，符号周期很长，远大于多径时延，从而从根本上免疫了码间干扰。

正交性： 这是OFDM的精髓。子载波在频率上紧密排列，且满足数学上的正交性。这意味着尽管子载波频谱有重叠，但在接收端进行积分解调时，不同子载波之间的干扰为零。这实现了极高的频谱利用率。

3、如何实现？FFT/IFFT

直接生成和解调成千上万个正交子载波在模拟域是极其困难的。

OFDM的巧妙之处在于，它在数字域通过IFFT（发射端） 和 FFT（接收端） 来实现。

发射过程： 将待传输的比特流映射成QAM/PSK符号（即IQ数据），这些符号在频域上对应了不同子载波的幅度和相位。对这批频域符号进行一次IFFT 运算，其输出就是一个包含了所有子载波信息的时域OFDM符号。

接收过程： 对接收到的时域OFDM符号进行FFT 运算，即可恢复出频域的QAM/PSK符号（IQ数据）。

4、保护间隔与循环前缀

为了彻底消除多径带来的子载波间干扰，OFDM在每个符号前插入一个循环前缀。CP是将符号尾部的部分样本复制到头部。只要多径时延小于CP长度，就能保证子载波间的正交性。

核心思想：OFDM通过将宽带信道划分为大量正交的窄带子信道，并利用IFFT/FFT高效实现，从而完美地克服了无线信道中最棘手的多径干扰问题，成为4G/5G和Wi-Fi等宽带无线系统的物理层核心技术。

五、三者的内在联系与协同

现在，我们将这三个概念串联起来，看它们在一個完整的5G发射链路中是如何协同工作的：

1、高层数据 → IQ数据（调制）：

来自MAC层的用户数据比特流，首先经过信道编码（如LDPC），然后根据信道条件选择调制方案（如QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM）。

调制器 将这些编码后的比特映射成复数的IQ符号。例如，11映射为(1,1)，01映射为(-1,1)等。

2、IQ数据 → OFDM符号（多路复用）：

这些IQ符号被分配到不同的子载波上（在频域上进行资源映射）。有的子载波传数据，有的传导频，有的为空。

对这张“频域资源网格”进行IFFT 运算，生成时域的OFDM符号样本。

为每个OFDM符号添加循环前缀。

3、OFDM符号 → AxC数据流（封装与分发）：

生成的时域OFDM样本（本质上就是一连串的时域IQ样本对）被封装成AxC数据流。

在Massive MIMO系统中，每个天线端口都会对应一个独立的AxC流。波束成形权重（也是复数）会在DU或RU中乘到这些AxC流的IQ数据上。

4、AxC数据流 → 空中射频波（发射）：

这些AxC流通过前传网络（如eCPRI）发送给对应的RU。

RU收到AxC流后，提取出其中的IQ样本，经过数模转换，然后进行IQ调制（即用I路信号调制cos(2πf_c t)，用Q路信号调制-sin(2πf_c t)，然后相加），生成真正的射频模拟信号。

射频信号经过功率放大器，通过物理天线发射到空中。

总结流程：
信息比特 → (IQ调制) → 频域IQ符号 → (IFFT/资源映射) → 时域OFDM样本 → (封装) → AxC数据流 → (前传) → RU → (DAC & IQ调制) → 射频信号 → 天线发射

六、总结

IQ调制是微观层面的调制技术，定义了如何用两个维度来表达信息。

OFDM是宏观层面的复用技术，定义了如何将高速数据高效、可靠地分布在宽频带上。

AxC是系统层面的数据接口格式，定义了在分布式基站架构中，处理多天线、多载波时IQ数据的封装和传输方式。

三者环环相扣，共同构成了现代高速无线通信（4G/5G）物理层发射链路的坚实支柱。