数字通信系统详解

2011-04-14 16:25:13来源: 互联网

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。

  

《电子系统设计》


 

  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:

  

《电子系统设计》

  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:

  

《电子系统设计》

  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,但评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

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编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0414/article_6977.html
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