數(shù)字通信技術(shù)淺析

　　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誤。噪聲是位錯誤的最常見元兇。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)。

　　糾錯編碼

　　錯誤檢測與糾錯技術(shù)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(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(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(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)動器和閃存驅(qū)動器。

　　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。