数字通信技术浅析

作者：时间：2011-05-16 来源：网络收藏

目前，大部分数字调制和解调都采用数字信号处理(DSP)技术。数据首先进行编码再发送到数字信号处理器，处理器中的软件生成正确的位流。然后采用混频器对该位流进行I/Q或同相以及正交格式的编码(图6)。

图6：在发射器中广泛使用的I/Q调制方法源于数字信号处理器。

　　随后，数模转换器(DAC)将I/Q数据转换成模拟信号并发送到混频器，在那里与载波或一些IF正弦和余弦波混合。对获得的信号进行归总以生成模拟RF输出。可能需要进一步的频率转换。只要你拥有正确的DSP代码，事实上可以用这种方式实现任何调制方式。(PSK和QAM调制方式是最常见的。)

　　在接收器端，将来自天线的信号放大、下变频并送至I/Q解调器(图7)。该信号与正弦和余弦波进行混频，然后对其进行滤波以生成I和Q信号。用模数转换器(ADC)将这些信号数字化并送至数字信号处理器进行最终解调。

图7：I/Q接收器恢复数据并在数字信号处理器中解调。

　　大多数无线电架构都使用这种I/Q方案和DSP。它通常被称为软件定义无线电(SDR)。DSP软件管理调制、解调及包括一些过滤在内的其它信号处理。

　　如前所述，扩频和OFDM是两种特别重要的调制方式。这些宽带的宽频带宽方案同样采用复用或多路访问的形式。很多手机中采用了扩频技术，允许多个用户共享一个公用带宽。这被称为码分多址(CDMA)。OFDM也采用了宽频带宽技术以使多个用户接入同一个宽信道。

　　图8显示了如何修改数字化串行语音、视频或其它数据以实现扩频。该方法被称为直接序列扩频(DSSS)，其中串行数据连同一个频率高得多的chipping信号一起被发送到异或(OR)门。对该信号进行编码，以便它能被接收器识别。结果窄带(几KHz)数字数据被转换为一个占用宽信道、带宽更宽的信号。在手机CDMA2000系统中，信道带宽为1.25MHz，切割信号为1.288Mbps。因此，数据信号被分布在整个频带。

　　采用称为FHSS的跳频方案也可以实现扩频。在这种配置下，数据在随机选择的不同频率的跳频周期中传输，从而使信息被散布在很宽的频谱内。了解这种跳频模式和速率的接收器可以重建数据并对其进行解调。FHSS的最常见应用是蓝牙无线设备。

　　其它数据信号用相同的方式处理，并在同一信道中传送。由于每个数据信号借助特定切割信号代码进行了唯一编码，因此这些信号实际上具有扰频和伪随机性质。它们在信道上互相重叠。接收器只接收到低噪声电平。接收器内的专用相关器和解码器可以挑选所需信号并进行解调。

　　在OFDM中，高速串行数据流被分成多个低速的并行数据流。每个数据流对主信道内一个极窄的子信道进行调制。根据所需的数据速率和应用的可靠性要求，采用BPSK、QPSK或不同级别的QAM进行调制。

　　将多个相邻的子信道设计成彼此正交。因此，一个子信道的数据不会与相邻信道产生码间干扰。其结果是一个高速数据信号以多个并行、低速数据流形式在更宽的带宽内传播。

　　每个OFDM系统的子信道数都不同，Wi-Fi无线系统是52条；而类似LTE那样的手机系统和诸如WiMAX等无线宽带系统则多达1024条。如此多的子信道使得可以将它们分组。每个组可发送一组声音或其它数据信号，从而允许多种用途共享分配的带宽。典型的信道宽度为5、10和20MHz。以流行的802.11a/g Wi-Fi系统为例，它使用OFDM方案在20MHz信道上实现54Mbps的数据速率(图9)。

　　所有新型手机和无线宽带系统都采用OFDM的原因是，它具有高速性能和可靠的通信品质。宽带DSL基于OFDM技术，许多电力线技术也是如此。但实现OFDM并非易事，DSP在此大显身手。

　　如前所述，调制方法随其在给定带宽内可传输的数据量以及可承受的噪声强度而异。每个给定Eb/N0比的误码率是它的一个度量指标(图10)。对于低Eb/N0来说，诸如BPSK和QPSK等简单调制方案可提供更低的误码率，这使得它们在关键的应用中更可靠。不过，虽然给定的误码率要求更高的Eb/N0值，但不同级别的QAM可在相同带宽内产生更高的数据速率。此外，需权衡的是在给定带宽条件下如何取舍误码率和数据速率。

　频谱效率

　　频谱效率是对给定速率下在固定带宽上可传输位数的度量。它是比较调制方法效率的一种方法。频谱效率用每Hz带宽每秒传输的位数((bits/s)/Hz)表示。虽然这种度量通常不包括任何FEC编码，但有时在比较操作中加入FEC会非常有帮助。

　　还记得56K拨号调制解调器吗？这种设备在4kHz电话信道内取得了惊人的56kbps速率，其频谱效率为14(bits/s)/Hz。对2.7(bits/s)/Hz的频谱效率来说， 802.11g Wi-Fi无线系统在20MHz信道上的最大吞吐量为54Mbps。标准数字GSM手机在200kHz信道上可实现104kbps的速率，因此其频谱效率为0.53(bits/s)/Hz。在引入EDGE调制后，频谱效率提升为1.93(bits/s)/Hz。即将发力的LTE手机在20MHz信道上更将频谱效率提升到16.32(bits/s)/Hz这样一个新水平。

　　频谱效率显示了借助不同调制方式，到底可将多少数据塞入窄带。表1比较了不同调制方法的相对效率，其中带宽效率就是数据速率除以带宽(或C/B)。