數字通信技術淺析

　　信道損傷

　　在傳輸過程中，數據會受到許多“傷害”，尤其是來自噪聲的影響。計算帶寬與數據速率應假設存在加性高斯白噪聲(AWGN)。

　　噪聲的來源各式各樣。例如，熱激發(fā)會產生噪聲，它對接收器前端影響最大。電阻和晶體管也是噪聲源，而半導體是另一種噪聲源。互調失真也產生噪聲。此外，通過在非線性電路內混頻產生的信號所造成的干擾信號也被視為噪聲處理。

　　其它噪聲源包括通過電容或電感耦合從電纜上獲取的信號。汽車點火產生的脈沖噪聲、開/關馬達或繼電器引發(fā)的感應沖擊以及電源線尖峰信號對數字信號都特別有害。電源線引起的 60Hz“嗡嗡”噪聲是另一個例子。同一電纜內一對導線與另一對導線耦合而成的信號會產生“交叉干擾”噪聲。在無線鏈路上，噪聲可能來自大氣(如閃電)甚至來自各個星球。

　　由于噪聲通常是隨機的，因此其頻譜很廣。通過簡單的過濾來限制帶寬可以降低噪聲。但縮窄帶寬顯然將影響數據傳輸速率。

　　還要著重指出的是，數字系統(tǒng)中處理噪聲的方式與模擬系統(tǒng)不同。S/N或C/N被用于模擬系統(tǒng)，但*估數字系統(tǒng)通常采用Eb/N0。Eb/N0是每比特能量與頻譜噪聲密度之比。它通常表示為Eb/N0。

　　能量Eb用焦耳表示，它是信號功率(P)與位時間t的乘積。由于數據容量或速率C(有時稱為R)是t的倒數，因此Eb=P/R。N0=N(噪聲功率)/B(帶寬)。使用上述定義，可以看到Eb/N0與S/N的關系如下：

　　Eb/N0= S/N (B/R)

　　記住，也可以用dB表示Eb/N0和S/N。

　　在數字系統(tǒng)中，每比特能量能夠更準確地衡量噪聲。這是因為信號傳輸通常是在短期內進行，能量平均分布于這段時間。通常模擬信號是連續(xù)的。無論什么情況，Eb/N0通常在采用調制的系統(tǒng)的接收器輸入端確定。它是對噪聲水平的一種度量，并將影響接收誤碼率(BER)。不同的調制方法有不同的Eb/N0值和相關BER。

　　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(tǒng)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(tǒng)都采用ARQ，但未采用ARQ的系統(tǒng)通常也會使用ARQ的某種形式。

　　但最現代化的通信系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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。