數字通信技術淺析

作者：時間：2011-05-16 來源：網絡

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目前，大部分數字調制和解調都采用數字信號處理(DSP)技術。數據首先進行編碼再發(fā)送到數字信號處理器，處理器中的軟件生成正確的位流。然后采用混頻器對該位流進行I/Q或同相以及正交格式的編碼(圖6)。

圖6：在發(fā)射器中廣泛使用的I/Q調制方法源于數字信號處理器。

　　隨后，數模轉換器(DAC)將I/Q數據轉換成模擬信號并發(fā)送到混頻器，在那里與載波或一些IF正弦和余弦波混合。對獲得的信號進行歸總以生成模擬RF輸出?？赡苄枰M一步的頻率轉換。只要你擁有正確的DSP代碼，事實上可以用這種方式實現任何調制方式。(PSK和QAM調制方式是最常見的。)

　　在接收器端，將來自天線的信號放大、下變頻并送至I/Q解調器(圖7)。該信號與正弦和余弦波進行混頻，然后對其進行濾波以生成I和Q信號。用模數轉換器(ADC)將這些信號數字化并送至數字信號處理器進行最終解調。

圖7：I/Q接收器恢復數據并在數字信號處理器中解調。

　　大多數無線電架構都使用這種I/Q方案和DSP。它通常被稱為軟件定義無線電(SDR)。DSP軟件管理調制、解調及包括一些過濾在內的其它信號處理。

　　如前所述，擴頻和OFDM是兩種特別重要的調制方式。這些寬帶的寬頻帶寬方案同樣采用復用或多路訪問的形式。很多手機中采用了擴頻技術，允許多個用戶共享一個公用帶寬。這被稱為碼分多址(CDMA)。OFDM也采用了寬頻帶寬技術以使多個用戶接入同一個寬信道。

　　圖8顯示了如何修改數字化串行語音、視頻或其它數據以實現擴頻。該方法被稱為直接序列擴頻(DSSS)，其中串行數據連同一個頻率高得多的chipping信號一起被發(fā)送到異或(OR)門。對該信號進行編碼，以便它能被接收器識別。結果窄帶(幾KHz)數字數據被轉換為一個占用寬信道、帶寬更寬的信號。在手機CDMA2000系統中，信道帶寬為1.25MHz，切割信號為1.288Mbps。因此，數據信號被分布在整個頻帶。

　　采用稱為FHSS的跳頻方案也可以實現擴頻。在這種配置下，數據在隨機選擇的不同頻率的跳頻周期中傳輸，從而使信息被散布在很寬的頻譜內。了解這種跳頻模式和速率的接收器可以重建數據并對其進行解調。FHSS的最常見應用是藍牙無線設備。

　　其它數據信號用相同的方式處理，并在同一信道中傳送。由于每個數據信號借助特定切割信號代碼進行了唯一編碼，因此這些信號實際上具有擾頻和偽隨機性質。它們在信道上互相重疊。接收器只接收到低噪聲電平。接收器內的專用相關器和解碼器可以挑選所需信號并進行解調。

　　在OFDM中，高速串行數據流被分成多個低速的并行數據流。每個數據流對主信道內一個極窄的子信道進行調制。根據所需的數據速率和應用的可靠性要求，采用BPSK、QPSK或不同級別的QAM進行調制。

　　將多個相鄰的子信道設計成彼此正交。因此，一個子信道的數據不會與相鄰信道產生碼間干擾。其結果是一個高速數據信號以多個并行、低速數據流形式在更寬的帶寬內傳播。

　　每個OFDM系統的子信道數都不同，Wi-Fi無線系統是52條；而類似LTE那樣的手機系統和諸如WiMAX等無線寬帶系統則多達1024條。如此多的子信道使得可以將它們分組。每個組可發(fā)送一組聲音或其它數據信號，從而允許多種用途共享分配的帶寬。典型的信道寬度為5、10和20MHz。以流行的802.11a/g Wi-Fi系統為例，它使用OFDM方案在20MHz信道上實現54Mbps的數據速率(圖9)。

　　所有新型手機和無線寬帶系統都采用OFDM的原因是，它具有高速性能和可靠的通信品質。寬帶DSL基于OFDM技術，許多電力線技術也是如此。但實現OFDM并非易事，DSP在此大顯身手。

　　如前所述，調制方法隨其在給定帶寬內可傳輸的數據量以及可承受的噪聲強度而異。每個給定Eb/N0比的誤碼率是它的一個度量指標(圖10)。對于低Eb/N0來說，諸如BPSK和QPSK等簡單調制方案可提供更低的誤碼率，這使得它們在關鍵的應用中更可靠。不過，雖然給定的誤碼率要求更高的Eb/N0值，但不同級別的QAM可在相同帶寬內產生更高的數據速率。此外，需權衡的是在給定帶寬條件下如何取舍誤碼率和數據速率。

　　頻譜效率

　　頻譜效率是對給定速率下在固定帶寬上可傳輸位數的度量。它是比較調制方法效率的一種方法。頻譜效率用每Hz帶寬每秒傳輸的位數((bits/s)/Hz)表示。雖然這種度量通常不包括任何FEC編碼，但有時在比較操作中加入FEC會非常有幫助。

　　還記得56K撥號調制解調器嗎？這種設備在4kHz電話信道內取得了驚人的56kbps速率，其頻譜效率為14(bits/s)/Hz。對2.7(bits/s)/Hz的頻譜效率來說， 802.11g Wi-Fi無線系統在20MHz信道上的最大吞吐量為54Mbps。標準數字GSM手機在200kHz信道上可實現104kbps的速率，因此其頻譜效率為0.53(bits/s)/Hz。在引入EDGE調制后，頻譜效率提升為1.93(bits/s)/Hz。即將發(fā)力的LTE手機在20MHz信道上更將頻譜效率提升到16.32(bits/s)/Hz這樣一個新水平。

　　頻譜效率顯示了借助不同調制方式，到底可將多少數據塞入窄帶。表1比較了不同調制方法的相對效率，其中帶寬效率就是數據速率除以帶寬(或C/B)。