数字通信技术浅析

2011-05-16

塞缪尔·莫尔斯(Samuel Morse)在1845年发明的电报标志着电子通信从数字技术开始起步。他着名的以点和短线表示的代码代表流经长距离电报线的电流的二进制(0/1)编码。无线通信同样也始于数字技术，借助莫尔斯代码生成连续波火花隙脉冲的0/1传输。

　　接着出现了以电话和调幅(AM)广播为代表的主导通信领域数十年的模拟通信。现在，模拟技术正在慢慢消退，仅在传统电话系统，AM和FM无线电广播，业余无线电、市民频段(CB)/家庭及短波接收装置以及一些传统的双向移动无线电设备中还采用模拟技术。而几乎所有其它应用(包括电视)都采用数字技术。移动电话和网络通信都基于数字技术。无线网络也是采用数字技术。

　　虽然原则众所周知，但业内资深人士也许错过了数字通信的专业培训。熟知数字通信技术基础知识，将使人们在面对源源不断的新通信技术、产品、趋势和问题时有更广阔的视角。

　　基本原理

　　所有的通信系统都包括一个发射器(TX)、一个接收器(RX)和传输介质(图1)。TX和RX使兼容于传输介质的信息信号得以传输，其中可能涉及到调制。一些系统采用某种形式的编码来提高可靠性。将本文中讨论的信息视为不归零(NRZ)二进制数据。而传输介质可能是诸如非屏蔽双绞线(UTP)或同轴电缆那样的铜电缆，光缆，或者是用于无线通信的无障空间。在所有情况下，信号都将被介质极大地削弱并叠加上噪声。噪声(而非衰减)通常决定着一种通讯介质是否可靠。

图1：编码在一个通信系统的简化模式中是可选的，但一些系统要求调制。噪声在很大程度上决定了传输范围和可靠性。

　　通信可分为两大类：基带或宽带。所谓基带传输是数据直接通过介质本身传输，如通过RS-485或I2C链路传送串行数字数据。最初的10Mbps以太网就是基带通信。宽带传输意味着采用调制(在某些情况下是复用)技术。有线电视和DSL也许是最好的宽带通信例子，蜂窝数据也属于宽带。

　　通信还有同步或异步两种模式。同步数据(如SONET光纤通信中的数据)被计时，而异步方式使用启动和停止位，RS-232及其它一些技术中采用的就是异步方式。

　　此外，通信链路还分为单工、半双工或全双工。单工链路指的是单向通信，广播就是个简单例子。双工是指双向通信。半双工是将同一条信道交替作为发送和接收信道。全双工意味着同时(或至少是并发)发送和接收，例如电话。

　　拓扑同样是通信的基础。点对点、一点对多点以及多点对一点都是常用拓扑。组网技术则包括总线、环状和网状网等几种方式。不一定要求它们适用于所有传输介质。

　　数据速率与带宽

　　数字通信串行发送各数据位，即一位接着一位。但是，你经常会见到使用多条串行路径的情况，例如四对UTP CAT 5e/6电缆或并行光缆。多输入多输出(MIMO)无线技术也采用两或多个并行位流。在任何情况下，基本数据传输速率(图2)或容量C是位时间(t)的倒数：

　　C = 1/t

　　C为信道容量或数据速率(以每秒内可传输的位数表示)，t为一个位间隔时间。代表速率的字符R也常被用来指代数据速率。一个位间隔时间为100ns的信号其数据速率是：

　　C = 1/100 × 10-9= 10Mbit/s

　　需多少带宽(B)才能传输一个数据速率为C的二进制信号是个大问题。事实证明，决定带宽的是位脉冲的上升时间(tR)：

　　B = 0.35/tR

　　B是以MHz表示的3dB带宽，tR以微秒(μs)为单位。该公式将傅立叶理论的效应考虑在内。例如，10ns(或0.01μs)的上升时间需要的带宽为：

　　B = 0.35/0.01 = 35MHz

　　采用香农-哈特利(Shannon-Hartley)定理可进行更精确的测量。Hartley指出，一个无噪声信道内给定数据速率所需的最窄带宽就是该数据速率的一半。

　　B = C/2

　　或给定带宽的最大可能数据速率为：

　　C = 2B

　　例如，6MHz带宽允许最高12Mbps的数据速率。Hartley还表示，该关系式仅适用于二级或二进制信号。如果采用多级传输，那么数据速率可表示为：

　　C = (2B)log2M

　　M表示传输的电压等级数或符号数。计算底数为2的对数是件苦差事，所以将其转换为：

　　log2N = (3.32)log10N

　　此时，log10N就是数字N的常用对数。因此

　　C = 2B(3.32)log10N

　　对于二进制或两级传输来说，6MHz带宽所能实现的数据速率就如上式给出的：

　　C = 2(6)(3.32)log102 = 12 Mbits/s

　　当采用四个电压级时，6MHz信道的最大理论数据速率为：

　　C = 2(6)(3.32)log104 = 24 Mbits/s

　　为解释这点，让我们考虑多级传输方案。可通过一个基带传输路径传输多个电压级，其中每个电压级代表两个或多个位。假设我们要传输一个串行的8位字节(图3a)，并假定一个1μs的位周期对应一个1Mbps的时钟。所需的最窄带宽是：

　　B = C/2 = 1 Mbit/s/2 = 500kHz

　　当采用四个电压级时，每个电压级可以传送两位(图3b)。每一级被称为一个符号。在这个例子中，四个电压级(0、1、2和3V)传输同一个字节11001001。该技术被称为脉幅调制(PAM)。每一级或符号的时长为1μs，求得的符号率(也称为波特率)为1Msymbol/s。因此，波特率为1Mbaud，但实际位速率是其两倍，即2Mbps。请注意它只需一半的时间就可以传输相同的数据量。

　　这意味着对于给定的时钟速率来说，可在8μs内传输以二进制数据格式表示的8位数据。如果采用四个电压级的PAM，则在同样时间内可传输两倍的数据量(即16位)。对于一个给定带宽来说，这相当于4Mbps的更高数据速率。Shannon后来对这一基本关系式进行了修改，将信噪比(S/N或SNR)因素也考虑在内：

　　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(分贝)来衡量。你还能看到把S/N称为载波噪声比(或C/N)的。C/N通常被定义为调制或宽带信号的S/N。S/N用于基带或解调后。对一个20dB或100比1的S/N来说，6MHz信道的最大数据传输速率是：

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

　　若S/N = 1或0dB，则数据速率降低到：

　　C = 6(3.32)log10(1 + 1) = 6 Mbits/s

　　最后一个例子说明了为什么许多工程师使用保守的大拇指规则：在有噪声的信道中，数据速率约等于带宽，即C=B。

　　如果具有良好S/N的信道所支持的数据速率看起来违背了物理定律，那是因为Shannon-Hartley公式没有明确指定在传输中可使用多个电压级或符号。请看下式：

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

　　这里，M是电压级数目或符号数。求解M：

　　M = √(1 + S/N)

　　以6MHz信道、40Mbps数据速率为例(假设S/N=100)。这将需要多个电压级或符号：

　　M = √(1 + 100) = 10

　　理论上，用10个电压级就可以实现40Mbps的速率。

　　除了用不同的电压级之外，还可以用其它方式来表示等级或符号。它们可以是不同的相移或频率，或电压级、相移和频率的某种组合。回想一下，正交调幅(QAM)就是不同电压级和相移的组合。作为在窄信道内实现高数据速率的首选调制方法，QAM在数字电视以及诸如HSPA、WiMAX和长期演进(LTE)等无线标准中得到应用。

　　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。

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)。