给忙碌者的5G基础知识课（三）——进击的调制

各位读者老爷们晚上好，新的一周又开始啦！

让我们回到5G学习主线，继续我们的第三堂课。

在本堂课进入正题前，想先跟大家聊聊大刘的科幻小说《三体》。相信很多同学都已经读过《三体》三部曲，并被大刘的脑洞所折服。

在《三体》中，地球的最终毁灭，最原始的起因是对地球人已经彻底失望了的女科学家叶文洁在我军试图探测地外生命的“红岸基地”中，借助太阳作为中转天线，主动发射出了无线电信号，最终导致了“三体人”发现了地球的存在。

然鹅，接收到叶文洁信息的“三体人”并没有如实向上级汇报，而是使用无线电向地球回复了“不要回答”，因为它知道一旦“三体人”的上层精英们知道了地球的存在，必然会毁灭地球。

最终的结局嘛，大家也都知道，叶文洁同志怀着对地球深深的恨意，毅然决然回复了地球的坐标，最终导致了悲剧的结局。

好，敲黑板，问题来了，请问“三体人”使用最高文明的科技，跨星际发射给叶文洁“不要回答”，这里面的技术，和我们的移动通信技术比有啥区别呢？

答案就是：本质上没啥区别。

当“三体人”在它领先地球N代的电脑上敲下三体语的“不要回答”后，它们高科技的电脑，同样要将这串文字信息经过调制后，在经由领先地球N代的天线，通过无线电波发射到地球。

而在移动通信中，不管是3G、4G还是5G，每当你收到一条微信、刷了一下微博的首页，同样要历经这样的过程，即“数字化”的信息被调制后，经过基站天线的发射，通过无线电波以模拟波形的形态到达你的手机。

1、数字与模拟

提到“模拟”，是不是让你有种回到80年代的感觉？

那个时候，电视机是模拟电视机，收音机是模拟收音机，如果你在那时非常拉轰的有一台“大哥大”，那么你在打电话时，使用的也是模拟通信。

所谓“模拟”，就是连续变化的量。比如你的眼睛看到的光，是没法给出完全精确的亮度值的（完全精确肯定是无限小数了），而你的耳朵听到的声音，也是没法给出完全精确的音量值。这是因为，光和声音，本质上与5G基站发出的信号一样，都是“波”，区别仅仅在于它们的波形和频率。

比如你应该听说过某某耳机多牛X支持的音域范围最高可到多少kHz，就是因为声音本身就是一种波，高端耳机有更宽的频带，可以呈现更宽广的音域。

但是，你一旦用数码相机把你眼前的图像拍下来，用数字录音笔把你听到的声音录下，那么，你就完成了一次“模数转换”（模拟到数字的转换），因为数码图片的每一个像素都是有完全精确的亮度值的，而数字音频中每一个音量也都是完全可量化的。

那么“模数转换”是怎么做到的呢？答案就是四舍五入。既然没法做到完全精准，那就差不多就得了呗，假如亮度值应该是3.0234254.....，那么照片中记录一个“3”不就搞定了。

以下图为例，虚线为模拟的波，为了将这个波的信息数字化，只好四舍五入大约的采集到每个时间点的数值（蓝色柱）。“模数转换”因此一定会损失信息，因为没有模拟那么精确了。（想想，最高级的数码相机照出来的图片，是不是也没你眼睛看到的景色美）

而另一方面，每当你用手机发出一条微信，或者上传一张图片时，相信你一定清楚，你所发出的信息，在手机中其实是以“比特”，也就是“0100011101”这样的“01”数字序列处理的。

但是，只要是涉及移动通信，最终的传输一定是无线电波，因为“0100011101”可不能在空气中传输出去。

那么，这就要涉及将“0100011101”这样的比特序列转化为模拟波形后，再通过模拟的无线电波发射到你的手机，这就是“数模转换”（数字到模拟的转换）。

2、数字调制

而在移动通信中，若想实现数字比特到无线电波的“数模转换”，无论是2、3、4、5G（1G本身就是模拟通信，不需要数模转换，因为那时手机只能打电话），都需要使用一项核心技术--数字调制。

而数字调制技术的升级，则是每一代移动通信之所以速率能显著提升的一个关键原因。

先来看看数字调制的原理：

请看上图，第一排就是我们要发送的比特序列（比如你的自拍美照的数字图片），a、b、c分别是数字调制的3种方式，其实简单来说，数字调制就是使用不同的无线电波形来代表不同的比特值，上面图片已经很清晰的展示了比特0、比特1在3种数字调制方式下是怎么用波形的不同来代表了。

那么移动通信应用的是哪种数字调制方式呢？答案是方法a和方法c的合体，这种方法既不叫调幅，也不叫调相，而叫QAM，就是用其幅度和相位同时变化来表示不同的比特。

这里我并不想探讨太多的技术细节，大家只要知道：当采用QAM调制这种数字调制时，一个波形的变化，不仅仅可以代表1个比特，而是可以代表多个比特！也就是说，QAM调制下，传输一个波，对方可以收到一串话！

怎么做到的呢？就是让波形变化的细节更多、更丰富，用更多不同的波形来代表更多的数字信息。

比如上面的16QAM，这种无线电波波形的“一顿乱抖”，在手机看来，每一个波形，就分别代表了“0101”、“1010”等信息，而不是单纯的“0”、“1”。

而这里面的16，就代表了每一个波形能代表的比特位数，这个位数就是2的n次方，因为16=2的4次方，也就是说明每一个波形，可以代表4位比特。

3、5G的调制

从3G到4G到5G，可以说数据传输速率的提升重要原因之一，就是QAM调制方式的一路疯狂进击。

3G时最高支持16QAM，就是一个波形可以传输4个比特信息，4G时最多可以传输6个比特（64=2的6次方），而5G呢？256QAM是标配（256=2的8次方），而图里没有展示的是，其实5G最高可以支持1024QAM，也就是每个波形可以代表10比特信息！

算算因为调制的进击带来的速率增益：4G比3G：6/4=1.5倍，而5G比4G：一般是8/6=1.33倍，极限是10/6=1.67倍！

这就是5G网络速率疯狂增长的原因，靠着一项项技术的累乘（比如给忙碌者的5G基础知识课（二）——香农的诅咒中提到的可支持连续100M带宽），达成了最终百倍于4G的峰值速率（其他技术以后陆续讲）。

那么有的同学可能就要问了，既然QAM调制下，一个波形能代表的比特越多越好，为啥不3G时就用256QAM呢？

答案就是，原来的通信技术不行啊！

要想实现越高级别的调制，就对芯片、基带提出了更高的要求，因此需要随着相关厂商的逐渐推出更高性能的产品，才能把QAM调制的级别提上去。

另一方面，随着QAM级别提升（在通信术语里叫高阶调制），不同波形之间的区别越来越细微，稍微一有干扰，手机和基站可能就无法认出两个波形之间的区别了。

举个栗子，假如你和你的小伙伴，相隔10米由你使用一只手向他打手语。

一种情况，你伸出五根手指，分别代表1到5。

另一种情况，你只使用握拳和五指伸开两种方式，分别代表0和1。

很明显，如果是传递信息，第一种方式，你做一下动作，就可以代表5种不同的信息（高阶调制），而第二种，你做一个动作，则只能代表2种不同的信息（低阶调制），第一种方式完胜。

那么假如现在你俩中间隔着大雾呢？

结果就是，第一种方式下，由于雾太厚（干扰有了），你的小伙伴经常把2根手指看成3根，把3根看成4根，传输出错率大大提升。

而第二种方式下，只要他不瞎，基本五指张开还是握拳，还是分得清的吧。

也就是，高阶调制抗干扰的能力远远小于低阶调制。

所以，就算是5G网络下，只有在干扰小的时候，才会使用256QAM的调制方式，而在干扰大、无线环境差（比如房间深处）时，基站会自动的选择更低阶的调制方式，来使得数据能够顺利传输，也就是说，此时数据传输速率会大大降低。

今天的内容就到这里了。下期继续讲讲5G的核心技术--编码技术，我会保持每周3-4篇（非节假日）的更新速度，且尽全力提供自己原创的高质量内容，如果喜欢，还请各位读者老爷们关注转发。