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數(shù)字通信技術(shù)淺析

作者: 時(shí)間:2011-05-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  信道損傷

  在傳輸過程中,數(shù)據(jù)會受到許多“傷害”,尤其是來自噪聲的影響。計(jì)算帶寬與數(shù)據(jù)速率應(yīng)假設(shè)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(chǎn)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(dǎo)體是另一種噪聲源?;フ{(diào)失真也產(chǎn)生噪聲。此外,通過在非線性電路內(nèi)混頻產(chǎn)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(diǎn)火產(chǎn)生的脈沖噪聲、開/關(guān)馬達(dá)或繼電器引發(fā)的感應(yīng)沖擊以及電源線尖峰信號對數(shù)字信號都特別有害。電源線引起的 60Hz“嗡嗡”噪聲是另一個(gè)例子。同一電纜內(nèi)一對導(dǎo)線與另一對導(dǎo)線耦合而成的信號會產(chǎn)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(gè)星球。

  由于噪聲通常是隨機(jī)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(shù)據(jù)傳輸速率。

  還要著重指出的是,數(shù)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(shù)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(shí)間t的乘積。由于數(shù)據(jù)容量或速率C(有時(shí)稱為R)是t的倒數(shù),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(guān)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(shù)字系統(tǒng)中,每比特能量能夠更準(zhǔn)確地衡量噪聲。這是因?yàn)樾盘杺鬏斖ǔJ窃诙唐趦?nèi)進(jìn)行,能量平均分布于這段時(shí)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(diào)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(diào)制方法有不同的Eb/N0值和相關(guān)BER。

  另一種常見的信號損傷是衰減。阻性損耗、濾波效應(yīng)和傳輸線不匹配都不可避免地導(dǎo)致電纜衰減。在無線系統(tǒng)中,信號強(qiáng)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(gè)信號損傷源。不同頻率的信號在傳輸信道上會產(chǎn)生不同程度的延遲,從而造成信號失真。

  信道損傷最終將導(dǎo)致信號損失和位傳輸錯(cuò)誤。噪聲是位錯(cuò)誤的最常見元兇。丟失或被更改的位將導(dǎo)致嚴(yán)重的傳輸錯(cuò)誤,進(jìn)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(zhì)量。

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

  糾錯(cuò)編碼

  錯(cuò)誤檢測與糾錯(cuò)技術(shù)有助于減少位誤差并改善誤碼率。最簡單的檢錯(cuò)方式是使用校驗(yàn)位、總和校驗(yàn)碼或循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)。它們被添加到待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)上。接收器重建這些代碼,進(jìn)行比較然后識別錯(cuò)誤。如果發(fā)生錯(cuò)誤,則會向發(fā)送器發(fā)送自動(dòng)重發(fā)請求(ARQ),受損數(shù)據(jù)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(xiàn)代化的通信系統(tǒng)通常會使用先進(jìn)的前向糾錯(cuò)(FEC)技術(shù)。利用專用數(shù)學(xué)編碼,待發(fā)送的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成一個(gè)附加位集,然后該位集也被發(fā)送。如果出現(xiàn)位誤差,則接收器可以檢測到故障位并實(shí)際修正全部或大部分錯(cuò)誤。這使得誤碼率大大改善。

  當(dāng)然,缺點(diǎn)是增加了編碼復(fù)雜性以及為傳輸附加位所需的額外傳輸時(shí)間。但現(xiàn)代基于IC的通信系統(tǒng)可以輕松地承擔(dān)這個(gè)開銷。

  目前提供了許多不同類型的前向糾錯(cuò)技術(shù),可以分為兩類:分組碼和卷積碼。分組碼工作于待發(fā)送數(shù)據(jù)位組成的固定組,該方法要加入額外的編碼位。根據(jù)代碼類型不同,可以發(fā)送或不發(fā)送原始數(shù)據(jù)。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(yàn)(LDPC)碼的新型分組碼的被廣泛使用。

  卷積碼采用復(fù)雜的算法。例如Viterbi、Golay和turbo碼。FEC技術(shù)廣泛應(yīng)用于無線和有線網(wǎng)絡(luò),包括手機(jī)、CD和DVD等存儲媒介、硬盤驅(qū)動(dòng)器和閃存驅(qū)動(dòng)器。

  FEC將改善S/N。對于一個(gè)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€(gè)設(shè)定的誤碼率目標(biāo),編碼增益被定義為已編碼和未編碼數(shù)據(jù)流的S/N值之差。例如,如果一個(gè)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(diào)制

  幾乎所有的調(diào)制方案都可用來傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。但在當(dāng)今更復(fù)雜的關(guān)鍵應(yīng)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(lǐng)域,擴(kuò)頻和正交頻分復(fù)用(OFDM)等專用模式尤其被廣為采用。

  通過開啟和關(guān)閉載波或在兩個(gè)載波電平間進(jìn)行切換來實(shí)現(xiàn)通斷鍵控(OOK)和幅移鍵控(ASK)。這兩種方式都被用于實(shí)現(xiàn)簡單且不太重要的應(yīng)用。由于它們?nèi)菀资艿皆肼暤挠绊懀虼藶楂@得可接受的誤碼率,傳輸范圍必須短,信號強(qiáng)度必須高。

  在嘈雜應(yīng)用中表現(xiàn)極佳的頻移鍵控(FSK)有幾個(gè)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(chǔ)。這些方法濾除二進(jìn)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(gè)符號來提升給定帶寬的數(shù)據(jù)速率。在大多數(shù)應(yīng)用中,PSK使用得最廣泛。

  二進(jìn)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(shù)據(jù)0和1將載波相位旋轉(zhuǎn)180°。星座圖(圖4a)是對BPSK的最好說明。其中,軸的每個(gè)相量代表載波振幅,而方向代表了載波相位。

  四進(jìn)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(gè)不同符號(圖4b)。它使給定帶寬的數(shù)據(jù)速率倍增,但對噪聲有很強(qiáng)的免疫力。

  除QPSK外,還有被稱為M-ary PSK或M-PSK的技術(shù)。它使用諸如8PSK和16PSK那樣的多個(gè)相位來生成載波的8或16個(gè)不同相移,從而允許在窄帶寬中實(shí)現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率(圖4c)。例如,8PSK允許每相符號傳輸3個(gè)位,理論上使給定帶寬的數(shù)據(jù)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(dá)64至1024個(gè)或更多的不同符號。因此,QAM是在窄帶寬內(nèi)獲取高數(shù)據(jù)速率技術(shù)的翹楚。

  例如,當(dāng)使用16QAM時(shí),每個(gè)4位數(shù)組可以用一個(gè)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(shí)際上使數(shù)據(jù)速率達(dá)到原來的4倍。

  

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