数字通信技术浅析

　　信道损伤

　　在传输过程中，数据会受到许多“伤害”，尤其是来自噪声的影响。计算带宽与数据速率应假设存在加性高斯白噪声(AWGN)。

　　噪声的来源各式各样。例如，热激发会产生噪声，它对接收器前端影响最大。电阻和晶体管也是噪声源，而半导体是另一种噪声源。互调失真也产生噪声。此外，通过在非线性电路内混频产生的信号所造成的干扰信号也被视为噪声处理。

　　其它噪声源包括通过电容或电感耦合从电缆上获取的信号。汽车点火产生的脉冲噪声、开/关马达或继电器引发的感应冲击以及电源线尖峰信号对数字信号都特别有害。电源线引起的 60Hz“嗡嗡”噪声是另一个例子。同一电缆内一对导线与另一对导线耦合而成的信号会产生“交叉干扰”噪声。在无线链路上，噪声可能来自大气(如闪电)甚至来自各个星球。

　　由于噪声通常是随机的，因此其频谱很广。通过简单的过滤来限制带宽可以降低噪声。但缩窄带宽显然将影响数据传输速率。

　　还要着重指出的是，数字系统中处理噪声的方式与模拟系统不同。S/N或C/N被用于模拟系统，但*估数字系统通常采用Eb/N0。Eb/N0是每比特能量与频谱噪声密度之比。它通常表示为Eb/N0。

　　能量Eb用焦耳表示，它是信号功率(P)与位时间t的乘积。由于数据容量或速率C(有时称为R)是t的倒数，因此Eb=P/R。N0=N(噪声功率)/B(带宽)。使用上述定义，可以看到Eb/N0与S/N的关系如下：

　　Eb/N0= S/N (B/R)

　　记住，也可以用dB表示Eb/N0和S/N。

　　在数字系统中，每比特能量能够更准确地衡量噪声。这是因为信号传输通常是在短期内进行，能量平均分布于这段时间。通常模拟信号是连续的。无论什么情况，Eb/N0通常在采用调制的系统的接收器输入端确定。它是对噪声水平的一种度量，并将影响接收误码率(BER)。不同的调制方法有不同的Eb/N0值和相关BER。

　　另一种常见的信号损伤是衰减。阻性损耗、滤波效应和传输线不匹配都不可避免地导致电缆衰减。在无线系统中，信号强度通常遵从与发射器和接收器之间距离的平方成正比的衰减公式。

　　最后，延迟失真是另一个信号损伤源。不同频率的信号在传输信道上会产生不同程度的延迟，从而造成信号失真。

　　信道损伤最终将导致信号损失和位传输错误。噪声是位错误的最常见元凶。丢失或被更改的位将导致严重的传输错误，进而可能使通信变得不可靠。因此，误码率被用来表明信道的传输质量。

　　误码率是S/N的直接函数，仅指在给定时间段内，错误位数与总传输位数之比。它通常被视为在大量传输位中出错的概率。每10万位传输出现一个位误差的BER为10-5。“良好”误码率的定义取决于应用和技术，但10-5到10-12之间的误码率是一个共同目标。

　　纠错编码

　　错误检测与纠错技术有助于减少位误差并改善误码率。最简单的检错方式是使用校验位、总和校验码或循环冗余校验(CRC)。它们被添加到待传输的数据上。接收器重建这些代码，进行比较然后识别错误。如果发生错误，则会向发送器发送自动重发请求(ARQ)，受损数据被重新发送。不是所有系统都采用ARQ，但未采用ARQ的系统通常也会使用ARQ的某种形式。

　　但最现代化的通信系统通常会使用先进的前向纠错(FEC)技术。利用专用数学编码，待发送的数据被转换成一个附加位集，然后该位集也被发送。如果出现位误差，则接收器可以检测到故障位并实际修正全部或大部分错误。这使得误码率大大改善。

　　当然，缺点是增加了编码复杂性以及为传输附加位所需的额外传输时间。但现代基于IC的通信系统可以轻松地承担这个开销。

　　目前提供了许多不同类型的前向纠错技术，可以分为两类：分组码和卷积码。分组码工作于待发送数据位组成的固定组，该方法要加入额外的编码位。根据代码类型不同，可以发送或不发送原始数据。通用分组码包括：Hamming、BCH和Reed-Solomon码。其中Reed-Solomon码作为一种被称为低密度奇偶校验(LDPC)码的新型分组码的被广泛使用。

　　卷积码采用复杂的算法。例如Viterbi、Golay和turbo码。FEC技术广泛应用于无线和有线网络，包括手机、CD和DVD等存储媒介、硬盘驱动器和闪存驱动器。

　　FEC将改善S/N。对于一个给定的S/N值，采用FEC将会改善误码率，这称为“编码增益。”对于一个设定的误码率目标，编码增益被定义为已编码和未编码数据流的S/N值之差。例如，如果一个系统需要20dB的S/N以获得无需编码的10-6的误码率，而使用FEC只需 8dB的S/N，可以得到编码增益为20 - 8 = 12dB。

　　调制

　　几乎所有的调制方案都可用来传输数字数据。但在当今更复杂的关键应用中，使用得最广泛的方法是相移键控(PSK)和QAM的若干形式。在无线领域，扩频和正交频分复用(OFDM)等专用模式尤其被广为采用。

　　通过开启和关闭载波或在两个载波电平间进行切换来实现通断键控(OOK)和幅移键控(ASK)。这两种方式都被用于实现简单且不太重要的应用。由于它们容易受到噪声的影响，因此为获得可接受的误码率，传输范围必须短，信号强度必须高。

　　在嘈杂应用中表现极佳的频移键控(FSK)有几个广泛使用的变种。例如，最小移键控(MSK)和高斯滤波FSK是GSM蜂窝电话系统的基础。这些方法滤除二进制脉冲以限制其带宽，从而缩小了边带范围。他们还采用没有过零干扰的相干载波(载波是连续的)。此外，多频FSK系统提供了多个符号来提升给定带宽的数据速率。在大多数应用中，PSK使用得最广泛。

　　二进制相移键控(BPSK)是另一种流行的方法。普通老式BPSK备受青睐，其中，位数据0和1将载波相位旋转180°。星座图(图4a)是对BPSK的最好说明。其中，轴的每个相量代表载波振幅，而方向代表了载波相位。

　　四进制(4-ary)或正交PSK(QPSK)采用正弦和余弦波的四种组合生成分别相移90°的四个不同符号(图4b)。它使给定带宽的数据速率倍增，但对噪声有很强的免疫力。

　　除QPSK外，还有被称为M-ary PSK或M-PSK的技术。它使用诸如8PSK和16PSK那样的多个相位来生成载波的8或16个不同相移，从而允许在窄带宽中实现非常高的数据速率(图4c)。例如，8PSK允许每相符号传输3个位，理论上使给定带宽的数据速率增加了三倍。

　　最终的多级方案是QAM，它采用不同的幅值和相移组合来定义多达64至1024个或更多的不同符号。因此，QAM是在窄带宽内获取高数据速率技术的翘楚。

　　例如，当使用16QAM时，每个4位数组可以用一个特定振幅和相位角的相量来表示(图5)。由于有16种可能的符号，每波特或符号周期可以传送四位。因此，对给定的带宽来说，它实际上使数据速率达到原来的4倍。