數(shù)字通信技術(shù)淺析-DSP
塞繆爾·莫爾斯(Samuel Morse)在1845年發(fā)明的電報標志著電子通信從數(shù)字技術(shù)開始起步。他著名的以點和短線表示的代碼代表流經(jīng)長距離電報線的電流的二進制(0/1)編碼。無線通信同樣也始于數(shù)字技術(shù)，借助莫爾斯代碼生成連續(xù)波火花隙脈沖的0/1傳輸。
接著出現(xiàn)了以電話和調(diào)幅(AM)廣播為代表的主導通信領(lǐng)域數(shù)十年的模擬通信?，F(xiàn)在，模擬技術(shù)正在慢慢消退，僅在傳統(tǒng)電話系統(tǒng)，AM和FM無線電廣播，業(yè)余無線電、市民頻段(CB)/家庭及短波接收裝置以及一些傳統(tǒng)的雙向移動無線電設(shè)備中還采用模擬技術(shù)。而幾乎所有其它應(yīng)用(包括電視)都采用數(shù)字技術(shù)。移動電話和網(wǎng)絡(luò)通信都基于數(shù)字技術(shù)。無線網(wǎng)絡(luò)也是采用數(shù)字技術(shù)。
雖然原則眾所周知，但業(yè)內(nèi)資深人士也許錯過了數(shù)字通信的專業(yè)培訓。熟知數(shù)字通信技術(shù)基礎(chǔ)知識，將使人們在面對源源不斷的新通信技術(shù)、產(chǎn)品、趨勢和問題時有更廣闊的視角。
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(zhì)(圖1)。TX和RX使兼容于傳輸介質(zhì)的信息信號得以傳輸，其中可能涉及到調(diào)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(zhì)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(zhì)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(zhì)是否可靠。
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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(diào)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?qū)拵?。所謂基帶傳輸是數(shù)據(jù)直接通過介質(zhì)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(wǎng)就是基帶通信。寬帶傳輸意味著采用調(diào)制(在某些情況下是復用)技術(shù)。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(shù)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(chǔ)。點對點、一點對多點以及多點對一點都是常用拓撲。組網(wǎng)技術(shù)則包括總線、環(huán)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)等幾種方式。不一定要求它們適用于所有傳輸介質(zhì)。
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(jīng)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(shù)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點擊看大圖
C為信道容量或數(shù)據(jù)速率(以每秒內(nèi)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(yīng)考慮在內(nèi)。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(nóng)-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(nèi)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(guān)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(zhuǎn)換為：
log2N = (3.32)log10N
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