數(shù)字通信系統(tǒng)詳解

基本原理

　　所有的通信系統(tǒng)都包括一個(gè)發(fā)射器(TX)、一個(gè)接收器(RX)和傳輸介質(zhì)(圖1)。TX和RX使兼容于傳輸介質(zhì)的信息信號(hào)得以傳輸，其中可能涉及到調(diào)制。一些系統(tǒng)采用某種形式的編碼來提高可靠性。將本文中討論的信息視為不歸零(NRZ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。而傳輸介質(zhì)可能是諸如非屏蔽雙絞線(UTP)或同軸電纜那樣的銅電纜，光纜，或者是用于無線通信的無障空間。在所有情況下，信號(hào)都將被介質(zhì)極大地削弱并疊加上噪聲。噪聲(而非衰減)通常決定著一種通訊介質(zhì)是否可靠。

　　圖1：編碼在一個(gè)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模式中是可選的，但一些系統(tǒng)要求調(diào)制。噪聲在很大程度上決定了傳輸范圍和可靠性。

　　通信可分為兩大類：基帶或?qū)拵?。所謂基帶傳輸是數(shù)據(jù)直接通過介質(zhì)本身傳輸，如通過RS-485或I2C鏈路傳送串行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。最初的10Mbps以太網(wǎng)就是基帶通信。寬帶傳輸意味著采用調(diào)制(在某些情況下是復(fù)用)技術(shù)。有線電視和DSL也許是最好的寬帶通信例子，蜂窩數(shù)據(jù)也屬于寬帶。

　　通信還有同步或異步兩種模式。同步數(shù)據(jù)(如SONET光纖通信中的數(shù)據(jù))被計(jì)時(shí)，而異步方式使用啟動(dòng)和停止位，RS-232及其它一些技術(shù)中采用的就是異步方式。

　　此外，通信鏈路還分為單工、半雙工或全雙工。單工鏈路指的是單向通信，廣播就是個(gè)簡(jiǎn)單例子。雙工是指雙向通信。半雙工是將同一條信道交替作為發(fā)送和接收信道。全雙工意味著同時(shí)(或至少是并發(fā))發(fā)送和接收，例如電話。

　　拓?fù)渫瑯邮峭ㄐ诺幕A(chǔ)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)以及多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)都是常用拓?fù)洹＝M網(wǎng)技術(shù)則包括總線、環(huán)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)等幾種方式。不一定要求它們適用于所有傳輸介質(zhì)。

　　數(shù)據(jù)速率與帶寬

　　數(shù)字通信串行發(fā)送各數(shù)據(jù)位，即一位接著一位。但是，你經(jīng)常會(huì)見到使用多條串行路徑的情況，例如四對(duì)UTP CAT 5e/6電纜或并行光纜。多輸入多輸出(MIMO)無線技術(shù)也采用兩或多個(gè)并行位流。在任何情況下，基本數(shù)據(jù)傳輸速率(圖2)或容量C是位時(shí)間(t)的倒數(shù)：

　　C = 1/t

　　C為信道容量或數(shù)據(jù)速率(以每秒內(nèi)可傳輸?shù)奈粩?shù)表示)，t為一個(gè)位間隔時(shí)間。代表速率的字符R也常被用來指代數(shù)據(jù)速率。一個(gè)位間隔時(shí)間為100ns的信號(hào)其數(shù)據(jù)速率是：

　　C = 1/100 × 10-9= 10Mbit/s

　　需多少帶寬(B)才能傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)速率為C的二進(jìn)制信號(hào)是個(gè)大問題。事實(shí)證明，決定帶寬的是位脈沖的上升時(shí)間(tR)：

　　B = 0.35/tR

　　B是以MHz表示的3dB帶寬，tR以微秒(μs)為單位。該公式將傅立葉理論的效應(yīng)考慮在內(nèi)。例如，10ns(或0.01μs)的上升時(shí)間需要的帶寬為：

　　B = 0.35/0.01 = 35MHz

　　采用香農(nóng)-哈特利(Shannon-Hartley)定理可進(jìn)行更精確的測(cè)量。Hartley指出，一個(gè)無噪聲信道內(nèi)給定數(shù)據(jù)速率所需的最窄帶寬就是該數(shù)據(jù)速率的一半。

　　B = C/2

　　或給定帶寬的最大可能數(shù)據(jù)速率為：

　　C = 2B

　　例如，6MHz帶寬允許最高12Mbps的數(shù)據(jù)速率。Hartley還表示，該關(guān)系式僅適用于二級(jí)或二進(jìn)制信號(hào)。如果采用多級(jí)傳輸，那么數(shù)據(jù)速率可表示為：

　　C = (2B)log2M

　　M表示傳輸?shù)碾妷旱燃?jí)數(shù)或符號(hào)數(shù)。計(jì)算底數(shù)為2的對(duì)數(shù)是件苦差事，所以將其轉(zhuǎn)換為：

　　log2N = (3.32)log10N

　　此時(shí)，log10N就是數(shù)字N的常用對(duì)數(shù)。因此

　　C = 2B(3.32)log10N

　　對(duì)于二進(jìn)制或兩級(jí)傳輸來說，6MHz帶寬所能實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率就如上式給出的：

　　C = 2(6)(3.32)log102 = 12 Mbits/s

　　當(dāng)采用四個(gè)電壓級(jí)時(shí)，6MHz信道的最大理論數(shù)據(jù)速率為：

　　C = 2(6)(3.32)log104 = 24 Mbits/s

　　為解釋這點(diǎn)，讓我們考慮多級(jí)傳輸方案?？赏ㄟ^一個(gè)基帶傳輸路徑傳輸多個(gè)電壓級(jí)，其中每個(gè)電壓級(jí)代表兩個(gè)或多個(gè)位。假設(shè)我們要傳輸一個(gè)串行的8位字節(jié)(圖3a)，并假定一個(gè)1μs的位周期對(duì)應(yīng)一個(gè)1Mbps的時(shí)鐘。所需的最窄帶寬是：

　　B = C/2 = 1 Mbit/s/2 = 500kHz

　　當(dāng)采用四個(gè)電壓級(jí)時(shí)，每個(gè)電壓級(jí)可以傳送兩位(圖3b)。每一級(jí)被稱為一個(gè)符號(hào)。在這個(gè)例子中，四個(gè)電壓級(jí)(0、1、2和3V)傳輸同一個(gè)字節(jié)11001001。該技術(shù)被稱為脈幅調(diào)制(PAM)。每一級(jí)或符號(hào)的時(shí)長(zhǎng)為1μs，求得的符號(hào)率(也稱為波特率)為1Msymbol/s。因此，波特率為1Mbaud，但實(shí)際位速率是其兩倍，即2Mbps。請(qǐng)注意它只需一半的時(shí)間就可以傳輸相同的數(shù)據(jù)量。

　　這意味著對(duì)于給定的時(shí)鐘速率來說，可在8μs內(nèi)傳輸以二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式表示的8位數(shù)據(jù)。如果采用四個(gè)電壓級(jí)的PAM，則在同樣時(shí)間內(nèi)可傳輸兩倍的數(shù)據(jù)量(即16位)。對(duì)于一個(gè)給定帶寬來說，這相當(dāng)于4Mbps的更高數(shù)據(jù)速率。Shannon后來對(duì)這一基本關(guān)系式進(jìn)行了修改，將信噪比(S/N或SNR)因素也考慮在內(nèi)：

　　C = (B)log2(1 + S/N)

　　或C = B(3.32)log10(1 + S/N)

　　S/N是功率比，不能用dB(分貝)來衡量。你還能看到把S/N稱為載波噪聲比(或C/N)的。C/N通常被定義為調(diào)制或?qū)拵盘?hào)的S/N。S/N用于基帶或解調(diào)后。對(duì)一個(gè)20dB或100比1的S/N來說，6MHz信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率是：

　　C = 6(3.32)log10(1 + 100) = 40 Mbits/s

　　若S/N = 1或0dB，則數(shù)據(jù)速率降低到：

　　C = 6(3.32)log10(1 + 1) = 6 Mbits/s

　　最后一個(gè)例子說明了為什么許多工程師使用保守的大拇指規(guī)則：在有噪聲的信道中，數(shù)據(jù)速率約等于帶寬，即C=B。

　　如果具有良好S/N的信道所支持的數(shù)據(jù)速率看起來違背了物理定律，那是因?yàn)镾hannon-Hartley公式?jīng)]有明確指定在傳輸中可使用多個(gè)電壓級(jí)或符號(hào)。請(qǐng)看下式：

　　C = B(3.32) log10(1 + S/N) = 2B(3.32) log10M

　　這里，M是電壓級(jí)數(shù)目或符號(hào)數(shù)。求解M：

　　M = √(1 + S/N)

　　以6MHz信道、40Mbps數(shù)據(jù)速率為例(假設(shè)S/N=100)。這將需要多個(gè)電壓級(jí)或符號(hào)：

　　M = √(1 + 100) = 10

　　理論上，用10個(gè)電壓級(jí)就可以實(shí)現(xiàn)40Mbps的速率。

　　除了用不同的電壓級(jí)之外，還可以用其它方式來表示等級(jí)或符號(hào)。它們可以是不同的相移或頻率，或電壓級(jí)、相移和頻率的某種組合?；叵胍幌?，正交調(diào)幅(QAM)就是不同電壓級(jí)和相移的組合。作為在窄信道內(nèi)實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的首選調(diào)制方法，QAM在數(shù)字電視以及諸如HSPA、WiMAX和長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)等無線標(biāo)準(zhǔn)中得到應(yīng)用。

　　信道損傷

　　在傳輸過程中，數(shù)據(jù)會(huì)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(huì)產(chǎn)生噪聲，它對(duì)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(hào)所造成的干擾信號(hào)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(hào)。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(hào)對(duì)數(shù)字信號(hào)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(duì)導(dǎo)線與另一對(duì)導(dǎo)線耦合而成的信號(hào)會(huì)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(jiǎn)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)，但評(píng)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(hào)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?hào)傳輸通常是在短期內(nèi)進(jìn)行，能量平均分布于這段時(shí)間。通常模擬信號(hào)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(duì)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