數(shù)字通信技術(shù)淺析

圖6：在發(fā)射器中廣泛使用的I/Q調(diào)制方法源于數(shù)字信號(hào)處理器。

　　隨后，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將I/Q數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)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(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行歸總以生成模擬RF輸出?？赡苄枰M(jìn)一步的頻率轉(zhuǎn)換。只要你擁有正確的DSP代碼，事實(shí)上可以用這種方式實(shí)現(xiàn)任何調(diào)制方式。(PSK和QAM調(diào)制方式是最常見的。)

　　在接收器端，將來自天線的信號(hào)放大、下變頻并送至I/Q解調(diào)器(圖7)。該信號(hào)與正弦和余弦波進(jìn)行混頻，然后對(duì)其進(jìn)行濾波以生成I和Q信號(hào)。用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將這些信號(hào)數(shù)字化并送至數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行最終解調(diào)。

圖7：I/Q接收器恢復(fù)數(shù)據(jù)并在數(shù)字信號(hào)處理器中解調(diào)。

　　大多數(shù)無線電架構(gòu)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(diào)制、解調(diào)及包括一些過濾在內(nèi)的其它信號(hào)處理。

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

　　圖8顯示了如何修改數(shù)字化串行語(yǔ)音、視頻或其它數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。該方法被稱為直接序列擴(kuò)頻(DSSS)，其中串行數(shù)據(jù)連同一個(gè)頻率高得多的chipping信號(hào)一起被發(fā)送到異或(OR)門。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行編碼，以便它能被接收器識(shí)別。結(jié)果窄帶(幾KHz)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為一個(gè)占用寬信道、帶寬更寬的信號(hào)。在手機(jī)CDMA2000系統(tǒng)中，信道帶寬為1.25MHz，切割信號(hào)為1.288Mbps。因此，數(shù)據(jù)信號(hào)被分布在整個(gè)頻帶。

　　采用稱為FHSS的跳頻方案也可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。在這種配置下，數(shù)據(jù)在隨機(jī)選擇的不同頻率的跳頻周期中傳輸，從而使信息被散布在很寬的頻譜內(nèi)。了解這種跳頻模式和速率的接收器可以重建數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行解調(diào)。FHSS的最常見應(yīng)用是藍(lán)牙無線設(shè)備。

　　其它數(shù)據(jù)信號(hào)用相同的方式處理，并在同一信道中傳送。由于每個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)借助特定切割信號(hào)代碼進(jìn)行了唯一編碼，因此這些信號(hào)實(shí)際上具有擾頻和偽隨機(jī)性質(zhì)。它們?cè)谛诺郎匣ハ嘀丿B。接收器只接收到低噪聲電平。接收器內(nèi)的專用相關(guān)器和解碼器可以挑選所需信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)。

　　在OFDM中，高速串行數(shù)據(jù)流被分成多個(gè)低速的并行數(shù)據(jù)流。每個(gè)數(shù)據(jù)流對(duì)主信道內(nèi)一個(gè)極窄的子信道進(jìn)行調(diào)制。根據(jù)所需的數(shù)據(jù)速率和應(yīng)用的可靠性要求，采用BPSK、QPSK或不同級(jí)別的QAM進(jìn)行調(diào)制。

　　將多個(gè)相鄰的子信道設(shè)計(jì)成彼此正交。因此，一個(gè)子信道的數(shù)據(jù)不會(huì)與相鄰信道產(chǎn)生碼間干擾。其結(jié)果是一個(gè)高速數(shù)據(jù)信號(hào)以多個(gè)并行、低速數(shù)據(jù)流形式在更寬的帶寬內(nèi)傳播。

　　每個(gè)OFDM系統(tǒng)的子信道數(shù)都不同，Wi-Fi無線系統(tǒng)是52條；而類似LTE那樣的手機(jī)系統(tǒng)和諸如WiMAX等無線寬帶系統(tǒng)則多達(dá)1024條。如此多的子信道使得可以將它們分組。每個(gè)組可發(fā)送一組聲音或其它數(shù)據(jù)信號(hào)，從而允許多種用途共享分配的帶寬。典型的信道寬度為5、10和20MHz。以流行的802.11a/g Wi-Fi系統(tǒng)為例，它使用OFDM方案在20MHz信道上實(shí)現(xiàn)54Mbps的數(shù)據(jù)速率(圖9)。

　　所有新型手機(jī)和無線寬帶系統(tǒng)都采用OFDM的原因是，它具有高速性能和可靠的通信品質(zhì)。寬帶DSL基于OFDM技術(shù)，許多電力線技術(shù)也是如此。但實(shí)現(xiàn)OFDM并非易事，DSP在此大顯身手。

　　如前所述，調(diào)制方法隨其在給定帶寬內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量以及可承受的噪聲強(qiáng)度而異。每個(gè)給定Eb/N0比的誤碼率是它的一個(gè)度量指標(biāo)(圖10)。對(duì)于低Eb/N0來說，諸如BPSK和QPSK等簡(jiǎn)單調(diào)制方案可提供更低的誤碼率，這使得它們?cè)陉P(guān)鍵的應(yīng)用中更可靠。不過，雖然給定的誤碼率要求更高的Eb/N0值，但不同級(jí)別的QAM可在相同帶寬內(nèi)產(chǎn)生更高的數(shù)據(jù)速率。此外，需權(quán)衡的是在給定帶寬條件下如何取舍誤碼率和數(shù)據(jù)速率。

　　頻譜效率

　　頻譜效率是對(duì)給定速率下在固定帶寬上可傳輸位數(shù)的度量。它是比較調(diào)制方法效率的一種方法。頻譜效率用每Hz帶寬每秒傳輸?shù)奈粩?shù)((bits/s)/Hz)表示。雖然這種度量通常不包括任何FEC編碼，但有時(shí)在比較操作中加入FEC會(huì)非常有幫助。

　　還記得56K撥號(hào)調(diào)制解調(diào)器嗎？這種設(shè)備在4kHz電話信道內(nèi)取得了驚人的56kbps速率，其頻譜效率為14(bits/s)/Hz。對(duì)2.7(bits/s)/Hz的頻譜效率來說， 802.11g Wi-Fi無線系統(tǒng)在20MHz信道上的最大吞吐量為54Mbps。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字GSM手機(jī)在200kHz信道上可實(shí)現(xiàn)104kbps的速率，因此其頻譜效率為0.53(bits/s)/Hz。在引入EDGE調(diào)制后，頻譜效率提升為1.93(bits/s)/Hz。即將發(fā)力的LTE手機(jī)在20MHz信道上更將頻譜效率提升到16.32(bits/s)/Hz這樣一個(gè)新水平。

　　頻譜效率顯示了借助不同調(diào)制方式，到底可將多少數(shù)據(jù)塞入窄帶。表1比較了不同調(diào)制方法的相對(duì)效率，其中帶寬效率就是數(shù)據(jù)速率除以帶寬(或C/B)。

　　數(shù)據(jù)壓縮

　　數(shù)據(jù)壓縮提供了在給定帶寬內(nèi)傳輸更多數(shù)據(jù)的另一種方法?？衫酶鞣N數(shù)學(xué)算法將原始數(shù)據(jù)壓縮成較少的位數(shù)。壓縮加快了傳輸速度并將存儲(chǔ)需求降至最低。在接收端進(jìn)行壓縮算法的反運(yùn)算，就可以恢復(fù)數(shù)據(jù)。

　　壓縮方案可以產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百比一的壓縮比。它們包括用于MP3播放器、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語(yǔ)音(VoIP)電話和數(shù)字收音機(jī)的語(yǔ)音壓縮方案。視頻也廣泛采用了壓縮技術(shù)。MPEG2標(biāo)準(zhǔn)被用于數(shù)字電視，而MPEG4和H.264標(biāo)準(zhǔn)則用于移動(dòng)視頻和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。