數(shù)字通信系統(tǒng)詳解

　　另一種常見的信號(hào)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(hào)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(hào)損傷源。不同頻率的信號(hào)在傳輸信道上會(huì)產(chǎn)生不同程度的延遲，從而造成信號(hào)失真。

　　信道損傷最終將導(dǎo)致信號(hào)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(shí)別錯(cuò)誤。如果發(fā)生錯(cuò)誤，則會(huì)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(huì)使用ARQ的某種形式。

　　但最現(xiàn)代化的通信系統(tǒng)通常會(huì)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(chǔ)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(huì)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?，因此為獲得可接受的誤碼率，傳輸范圍必須短，信號(hào)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(hào)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(hào)(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(hào)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(hào)。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(hào)，每波特或符號(hào)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。

　　目前，大部分?jǐn)?shù)字調(diào)制和解調(diào)都采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)。數(shù)據(jù)首先進(jìn)行編碼再發(fā)送到數(shù)字信號(hào)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(jìn)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(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)。它們在信道上互相重疊。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