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數(shù)字通信系統(tǒng)詳解

來源：網絡 2022-01-30 12:00:26

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基本原理

所有的通信系統(tǒng)都包括一個發(fā)射器(TX)、一個接收器(RX)和傳輸介質(圖1)。TX和RX使兼容于傳輸介質的信息信號得以傳輸，其中可能涉及到調制。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)二進制數(shù)據(jù)。而傳輸介質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，信號都將被介質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是否可靠。

圖1：編碼在一個通信系統(tǒng)的簡化模式中是可選的，但一些系統(tǒng)要求調制。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：基帶或寬帶。所謂基帶傳輸是數(shù)據(jù)直接通過介質本身傳輸，如通過RS-485或I2C鏈路傳送串行數(shù)字數(shù)據(jù)。最初的10Mbps以太網就是基帶通信。寬帶傳輸意味著采用調制(在某些情況下是復用)技術。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))被計時，而異步方式使用啟動和停止位，RS-232及其它一些技術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，廣播就是個簡單例子。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(或至少是并發(fā))發(fā)送和接收，例如電話。

拓撲同樣是通信的基礎。點對點、一點對多點以及多點對一點都是常用拓撲。組網技術則包括總線、環(huán)狀和網狀網等幾種方式。不一定要求它們適用于所有傳輸介質。

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，你經常會見到使用多條串行路徑的情況，例如四對UTP CAT 5e/6電纜或并行光纜。多輸入多輸出(MIMO)無線技術也采用兩或多個并行位流。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(以每秒內可傳輸?shù)奈粩?shù)表示)，t為一個位間隔時間。代表速率的字符R也常被用來指代數(shù)據(jù)速率。一個位間隔時間為100ns的信號其數(shù)據(jù)速率是：

C = 1/100 × 10-9= 10Mbit/s

需多少帶寬(B)才能傳輸一個數(shù)據(jù)速率為C的二進制信號是個大問題。事實證明，決定帶寬的是位脈沖的上升時間(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考慮在內。例如，10ns(或0.01μs)的上升時間需要的帶寬為：

B = 0.35/0.01 = 35MHz

采用香農-哈特利(Shannon-Hartley)定理可進行更精確的測量。Hartley指出，一個無噪聲信道內給定數(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，該關系式僅適用于二級或二進制信號。如果采用多級傳輸，那么數(shù)據(jù)速率可表示為：

C = (2B)log2M

M表示傳輸?shù)碾妷旱燃墧?shù)或符號數(shù)。計算底數(shù)為2的對數(shù)是件苦差事，所以將其轉換為：

log2N = (3.32)log10N

此時，log10N就是數(shù)字N的常用對數(shù)。因此

C = 2B(3.32)log10N

對于二進制或兩級傳輸來說，6MHz帶寬所能實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率就如上式給出的：

C = 2(6)(3.32)log102 = 12 Mbits/s

當采用四個電壓級時，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，讓我們考慮多級傳輸方案?？赏ㄟ^一個基帶傳輸路徑傳輸多個電壓級，其中每個電壓級代表兩個或多個位。假設我們要傳輸一個串行的8位字節(jié)(圖3a)，并假定一個1μs的位周期對應一個1Mbps的時鐘。所需的最窄帶寬是：

B = C/2 = 1 Mbit/s/2 = 500kHz

當采用四個電壓級時，每個電壓級可以傳送兩位(圖3b)。每一級被稱為一個符號。在這個例子中，四個電壓級(0、1、2和3V)傳輸同一個字節(jié)11001001。該技術被稱為脈幅調制(PAM)。每一級或符號的時長為1μs，求得的符號率(也稱為波特率)為1Msymbol/s。因此，波特率為1Mbaud，但實際位速率是其兩倍，即2Mbps。請注意它只需一半的時間就可以傳輸相同的數(shù)據(jù)量。

這意味著對于給定的時鐘速率來說，可在8μs內傳輸以二進制數(shù)據(jù)格式表示的8位數(shù)據(jù)。如果采用四個電壓級的PAM，則在同樣時間內可傳輸兩倍的數(shù)據(jù)量(即16位)。對于一個給定帶寬來說，這相當于4Mbps的更高數(shù)據(jù)速率。Shannon后來對這一基本關系式進行了修改，將信噪比(S/N或SNR)因素也考慮在內：

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通常被定義為調制或寬帶信號的S/N。S/N用于基帶或解調后。對一個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，那是因為Shannon-Hartley公式沒有明確指定在傳輸中可使用多個電壓級或符號。請看下式：

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

這里，M是電壓級數(shù)目或符號數(shù)。求解M：

M = √(1 + S/N)

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

M = √(1 + 100) = 10

理論上，用10個電壓級就可以實現(xiàn)40Mbps的速率。

除了用不同的電壓級之外，還可以用其它方式來表示等級或符號。它們可以是不同的相移或頻率，或電壓級、相移和頻率的某種組合?；叵胍幌?，正交調幅(QAM)就是不同電壓級和相移的組合。作為在窄信道內實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的首選調制方法，QAM在數(shù)字電視以及諸如HSPA、WiMAX和長期演進(LTE)等無線標準中得到應用。

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。計算帶寬與數(shù)據(jù)速率應假設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，而半導體是另一種噪聲源?；フ{失真也產生噪聲。此外，通過在非線性電路內混頻產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。汽車點火產生的脈沖噪聲、開/關馬達或繼電器引發(fā)的感應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”噪聲是另一個例子。同一電纜內一對導線與另一對導線耦合而成的信號會產生“交叉干擾”噪聲。在無線鏈路上，噪聲可能來自大氣(如閃電)甚至來自各個星球。

由于噪聲通常是隨機的，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)，但評估數(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)與位時間t的乘積。由于數(shù)據(jù)容量或速率C(有時稱為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確地衡量噪聲。這是因為信號傳輸通常是在短期內進行，能量平均分布于這段時間。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)。不同的調制方法有不同的Eb/N0值和相關BER

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