數字通信系統詳解

作者：時間：2011-04-14 來源：網絡

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　　另一種常見的信號損傷是衰減。阻性損耗、濾波效應和傳輸線不匹配都不可避免地導致電纜衰減。在無線系統中，信號強度通常遵從與發(fā)射器和接收器之間距離的平方成正比的衰減公式。

　　最后，延遲失真是另一個信號損傷源。不同頻率的信號在傳輸信道上會產生不同程度的延遲，從而造成信號失真。

　　信道損傷最終將導致信號損失和位傳輸錯誤。噪聲是位錯誤的最常見元兇。丟失或被更改的位將導致嚴重的傳輸錯誤，進而可能使通信變得不可靠。因此，誤碼率被用來表明信道的傳輸質量。

　　誤碼率是S/N的直接函數，僅指在給定時間段內，錯誤位數與總傳輸位數之比。它通常被視為在大量傳輸位中出錯的概率。每10萬位傳輸出現一個位誤差的BER為10-5?！傲己谩闭`碼率的定義取決于應用和技術，但10-5到10-12之間的誤碼率是一個共同目標。

　　糾錯編碼

　　錯誤檢測與糾錯技術有助于減少位誤差并改善誤碼率。最簡單的檢錯方式是使用校驗位、總和校驗碼或循環(huán)冗余校驗(CRC)。它們被添加到待傳輸的數據上。接收器重建這些代碼，進行比較然后識別錯誤。如果發(fā)生錯誤，則會向發(fā)送器發(fā)送自動重發(fā)請求(ARQ)，受損數據被重新發(fā)送。不是所有系統都采用ARQ，但未采用ARQ的系統通常也會使用ARQ的某種形式。

　　但最現代化的通信系統通常會使用先進的前向糾錯(FEC)技術。利用專用數學編碼，待發(fā)送的數據被轉換成一個附加位集，然后該位集也被發(fā)送。如果出現位誤差，則接收器可以檢測到故障位并實際修正全部或大部分錯誤。這使得誤碼率大大改善。

　　當然，缺點是增加了編碼復雜性以及為傳輸附加位所需的額外傳輸時間。但現代基于IC的通信系統可以輕松地承擔這個開銷。

　　目前提供了許多不同類型的前向糾錯技術，可以分為兩類：分組碼和卷積碼。分組碼工作于待發(fā)送數據位組成的固定組，該方法要加入額外的編碼位。根據代碼類型不同，可以發(fā)送或不發(fā)送原始數據。通用分組碼包括：Hamming、BCH和Reed-Solomon碼。其中Reed-Solomon碼作為一種被稱為低密度奇偶校驗(LDPC)碼的新型分組碼的被廣泛使用。

　　卷積碼采用復雜的算法。例如Viterbi、Golay和turbo碼。FEC技術廣泛應用于無線和有線網絡，包括手機、CD和DVD等存儲媒介、硬盤驅動器和閃存驅動器。

　　FEC將改善S/N。對于一個給定的S/N值，采用FEC將會改善誤碼率，這稱為“編碼增益?！睂τ谝粋€設定的誤碼率目標，編碼增益被定義為已編碼和未編碼數據流的S/N值之差。例如，如果一個系統需要20dB的S/N以獲得無需編碼的10-6的誤碼率，而使用FEC只需 8dB的S/N，可以得到編碼增益為20 - 8 = 12dB。

　　調制

　　幾乎所有的調制方案都可用來傳輸數字數據。但在當今更復雜的關鍵應用中，使用得最廣泛的方法是相移鍵控(PSK)和QAM的若干形式。在無線領域，擴頻和正交頻分復用(OFDM)等專用模式尤其被廣為采用。

　　通過開啟和關閉載波或在兩個載波電平間進行切換來實現通斷鍵控(OOK)和幅移鍵控(ASK)。這兩種方式都被用于實現簡單且不太重要的應用。由于它們容易受到噪聲的影響，因此為獲得可接受的誤碼率，傳輸范圍必須短，信號強度必須高。

　　在嘈雜應用中表現極佳的頻移鍵控(FSK)有幾個廣泛使用的變種。例如，最小移鍵控(MSK)和高斯濾波FSK是GSM蜂窩電話系統的基礎。這些方法濾除二進制脈沖以限制其帶寬，從而縮小了邊帶范圍。他們還采用沒有過零干擾的相干載波(載波是連續(xù)的)。此外，多頻FSK系統提供了多個符號來提升給定帶寬的數據速率。在大多數應用中，PSK使用得最廣泛。

　　二進制相移鍵控(BPSK)是另一種流行的方法。普通老式BPSK備受青睞，其中，位數據0和1將載波相位旋轉180°。星座圖(圖4a)是對BPSK的最好說明。其中，軸的每個相量代表載波振幅，而方向代表了載波相位。

　　四進制(4-ary)或正交PSK(QPSK)采用正弦和余弦波的四種組合生成分別相移90°的四個不同符號(圖4b)。它使給定帶寬的數據速率倍增，但對噪聲有很強的免疫力。

　　除QPSK外，還有被稱為M-ary PSK或M-PSK的技術。它使用諸如8PSK和16PSK那樣的多個相位來生成載波的8或16個不同相移，從而允許在窄帶寬中實現非常高的數據速率(圖4c)。例如，8PSK允許每相符號傳輸3個位，理論上使給定帶寬的數據速率增加了三倍。

　　最終的多級方案是QAM，它采用不同的幅值和相移組合來定義多達64至1024個或更多的不同符號。因此，QAM是在窄帶寬內獲取高數據速率技術的翹楚。

　　例如，當使用16QAM時，每個4位數組可以用一個特定振幅和相位角的相量來表示(圖5)。由于有16種可能的符號，每波特或符號周期可以傳送四位。因此，對給定的帶寬來說，它實際上使數據速率達到原來的4倍。

　　目前，大部分數字調制和解調都采用數字信號處理(DSP)技術。數據首先進行編碼再發(fā)送到數字信號處理器，處理器中的軟件生成正確的位流。然后采用混頻器對該位流進行I/Q或同相以及正交格式的編碼(圖6)。

　　圖6：在發(fā)射器中廣泛使用的I/Q調制方法源于數字信號處理器。

　　隨后，數模轉換器(DAC)將I/Q數據轉換成模擬信號并發(fā)送到混頻器，在那里與載波或一些IF正弦和余弦波混合。對獲得的信號進行歸總以生成模擬RF輸出?？赡苄枰M一步的頻率轉換。只要你擁有正確的DSP代碼，事實上可以用這種方式實現任何調制方式。(PSK和QAM調制方式是最常見的。)

　　在接收器端，將來自天線的信號放大、下變頻并送至I/Q解調器(圖7)。該信號與正弦和余弦波進行混頻，然后對其進行濾波以生成I和Q信號。用模數轉換器(ADC)將這些信號數字化并送至數字信號處理器進行最終解調。

　　圖7：I/Q接收器恢復數據并在數字信號處理器中解調。

　　大多數無線電架構都使用這種I/Q方案和DSP。它通常被稱為軟件定義無線電(SDR)。DSP軟件管理調制、解調及包括一些過濾在內的其它信號處理。

　　如前所述，擴頻和OFDM是兩種特別重要的調制方式。這些寬帶的寬頻帶寬方案同樣采用復用或多路訪問的形式。很多手機中采用了擴頻技術，允許多個用戶共享一個公用帶寬。這被稱為碼分多址(CDMA)。OFDM也采用了寬頻帶寬技術以使多個用戶接入同一個寬信道。

　　圖8顯示了如何修改數字化串行語音、視頻或其它數據以實現擴頻。該方法被稱為直接序列擴頻(DSSS)，其中串行數據連同一個頻率高得多的chipping信號一起被發(fā)送到異或(OR)門。對該信號進行編碼，以便它能被接收器識別。結果窄帶(幾KHz)數字數據被轉換為一個占用寬信道、帶寬更寬的信號。在手機CDMA2000系統中，信道帶寬為1.25MHz，切割信號為1.288Mbps。因此，數據信號被分布在整個頻帶。