數(shù)字通信系統(tǒng)人如何混合信號(hào)組件講解

通信是關(guān)于將信息從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，但計(jì)算機(jī)革命從根本上改變了通信的本質(zhì)。信息越來(lái)越多地以數(shù)字形式創(chuàng)建，操縱，存儲(chǔ)和傳輸 - 甚至是基本模擬的信號(hào)。音頻錄制/回放，有線電話，無(wú)線電話，音頻和視頻廣播 - 所有這些名義上的模擬通信媒體都采用或正在采用數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)。負(fù)責(zé)提供有線和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體面臨著跟上數(shù)字通信流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)需求的巨大挑戰(zhàn)。通信越來(lái)越多地將位從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)。

數(shù)字通信包含各種各樣的應(yīng)用，具有完全不同的約束。傳輸介質(zhì)可以是雙絞銅線，同軸電纜，光纖電纜，或無(wú)線 - 通過(guò)任意數(shù)量的不同頻帶。對(duì)于在工廠車間通信的工業(yè)控制信號(hào)，壓縮語(yǔ)音為32kbits / s，MPEG壓縮視頻為2Mb / s，SONET數(shù)據(jù)中繼為155Mbps，傳輸速率范圍為每秒幾位。一些傳輸方案受到正式標(biāo)準(zhǔn)的約束，其他傳輸方案則是自由的或發(fā)展的。由這種多樣性產(chǎn)生的豐富的設(shè)計(jì)和建筑替代品令人難以置信。數(shù)字通信主題是如此龐大，以至于無(wú)法在一堆書(shū)籍中藐視綜合治療。

通信術(shù)語(yǔ)和令人眼花繚亂的一系列首字母縮略詞已經(jīng)形成，這使得通信系統(tǒng)工程師有時(shí)很難和電路硬件設(shè)計(jì)師相互通信。對(duì)于其規(guī)格以頻率和功率表示的系統(tǒng)，通?；跁r(shí)域中的面向電壓的規(guī)范來(lái)選擇組件。我們?cè)谶@里以及將來(lái)的文章中的目的是對(duì)一些基本原理進(jìn)行相當(dāng)非正式的概述，重點(diǎn)是跟蹤組件性能和系統(tǒng)性能之間有時(shí)復(fù)雜的關(guān)系。

“通信視角”和分析工具集也為解決通常不被視為“通信”問(wèn)題的問(wèn)題做出了重大貢獻(xiàn)。例如，該方法提供了對(duì)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)恢復(fù)問(wèn)題中固有的一些速度/帶寬限制的深入了解，其中從A到B的通道包括在磁介質(zhì)中寫(xiě)入和讀取數(shù)據(jù) - 以及移動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)處理板上的高速總線。

香農(nóng)定律 - 基本約束：一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字通信系統(tǒng)的目標(biāo)是：

在指定頻道

每秒移動(dòng)盡可能多的數(shù)據(jù)

使用盡可能窄的帶寬

使用最便宜，最低的 - 可用的功率，最小空間（等）設(shè)備。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在不同程度上關(guān)注這些尺寸?？藙诘隆は戕r(nóng)（Claude Shannon）于1948年確立了數(shù)據(jù)傳播速度的理論極限：

這意味著在給定時(shí)間內(nèi)可通過(guò)給定信道傳輸?shù)淖畲笮畔㈦S信道帶寬線性增加，噪聲減少了在給定帶寬內(nèi)可有效傳輸?shù)男畔⒘浚哂袑?duì)數(shù)靈敏度（噪聲增加千倍可能導(dǎo)致最大信道容量減少十倍）。本質(zhì)上，信息的“桶”具有兩個(gè)維度：帶寬和信噪比（SNR）。對(duì)于給定的容量要求，可以使用具有相對(duì)差的SNR的寬帶寬信道，或者具有相對(duì)良好的SNR的窄帶信道（圖1）。在帶寬充足的情況下，通常使用廉價(jià)，帶寬需要的通信方案，因?yàn)樗鼈兺鶎?duì)噪聲和實(shí)現(xiàn)缺陷不敏感。然而，隨著對(duì)數(shù)據(jù)通信容量的需求增加（例如，更多蜂窩電話），帶寬變得越來(lái)越稀缺。大多數(shù)系統(tǒng)的趨勢(shì)是更高的頻譜效率，或每單位帶寬的比特容量。根據(jù)Shannon定律，這表明轉(zhuǎn)向具有更好SNR的系統(tǒng)以及對(duì)發(fā)送和接收硬件和軟件的更高要求。

讓我們檢查帶寬（時(shí)域/頻域）和SNR（電壓/功率域）的維度通過(guò)考慮一些例子，更接近一點(diǎn)。

PCM：一個(gè)簡(jiǎn)單（但很常見(jiàn)）的情況：考慮從位置發(fā)射機(jī)發(fā)送圖2a所示的比特流的簡(jiǎn)單情況A到位置B的接收器（可以假設(shè)，傳輸是通過(guò)一對(duì)導(dǎo)線，盡管它可以是任何介質(zhì)。）我們還假設(shè)發(fā)射器和接收器已同意要傳輸?shù)碾妷弘娖胶蛡鬏斝盘?hào)的時(shí)間。發(fā)送器在商定的時(shí)間發(fā)送“高”和“低”電壓，對(duì)應(yīng)于其比特流中的1和0。接收器在約定的時(shí)間應(yīng)用判決元件（比較器）以區(qū)分發(fā)送的“高”和“低”，從而恢復(fù)發(fā)送的比特流。該方案稱為脈沖編碼調(diào)制（或PCM）。決策元素的應(yīng)用通常被稱為“切片”輸入信號(hào)流，因?yàn)榇_定正在發(fā)送什么比特是基于在（切片）時(shí)間中的一個(gè)時(shí)刻的接收信號(hào)的值。為了在該線路上傳輸更多信息，發(fā)射機(jī)增加了更新其輸出信號(hào)的速率，接收機(jī)相應(yīng)地增加了它的“切片”速率。

這個(gè)簡(jiǎn)單的案例，對(duì)于已經(jīng)有過(guò)數(shù)字電路設(shè)計(jì)入門(mén)課程的人來(lái)說(shuō)很熟悉，它揭示了建立數(shù)字通信系統(tǒng)的幾個(gè)重要因素。首先，發(fā)送器和接收器必須就要發(fā)送的“電平”達(dá)成一致：在這種情況下，什么電壓構(gòu)成發(fā)送的“1”，以及什么電壓電平構(gòu)成發(fā)送的“0”。這允許接收器為其決策元素選擇正確的閾值;錯(cuò)誤設(shè)置此閾值意味著傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將無(wú)法恢復(fù)（圖2b）。其次，發(fā)射器和接收器必須就傳輸頻率達(dá)成一致;如果接收器以與發(fā)送比特不同的速率“切片”，則不能恢復(fù)正確的比特序列（2c）。事實(shí)上，正如我們稍后將看到的，必須就發(fā)射信號(hào)的頻率和相位達(dá)成一致。

這些需要實(shí)施的難度有多大？在簡(jiǎn)化的世界中，可以假設(shè)發(fā)送的信號(hào)相當(dāng)“忙”，沒(méi)有長(zhǎng)串的連續(xù)的1或0。然后可以將判決閾值設(shè)置為輸入比特流的“平均”值，該值應(yīng)該是發(fā)送的“1”和發(fā)送的“0”之間的某個(gè)值（如果1和0的密度相等，則在它們之間的中間值） 。）對(duì)于定時(shí)，可以使用鎖相環(huán)，其中心頻率接近商定的發(fā)射頻率;它將“鎖定”到發(fā)射信號(hào)，從而為我們提供準(zhǔn)確的切片頻率。此過(guò)程通常稱為時(shí)鐘恢復(fù);發(fā)送信號(hào)的格式要求與鎖相環(huán)的性能特性有關(guān)。圖3顯示了這個(gè)簡(jiǎn)化脈沖接收器的元素。

帶寬限制：現(xiàn)實(shí)世界并不那么簡(jiǎn)單。要考慮的首要重要物理限制之一是傳輸信道具有有限的帶寬。從發(fā)射器發(fā)送的尖銳方波脈沖將被低帶寬信道“舍入”。此效果的嚴(yán)重程度是信道帶寬的函數(shù)。 （圖4）。在極端情況下，發(fā)送的信號(hào)永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到邏輯“1”或“0”，并且發(fā)送的信息基本上丟失。查看此問(wèn)題的另一種方法是考慮信道的脈沖響應(yīng)。無(wú)限帶寬信道傳遞未失真的脈沖（可能只有一個(gè)純粹的時(shí)間延遲）。隨著帶寬開(kāi)始減小，脈沖響應(yīng)“擴(kuò)散”。如果我們認(rèn)為比特信號(hào)是脈沖流，則符號(hào)間干擾（ISI）開(kāi)始出現(xiàn);當(dāng)一個(gè)脈沖的響應(yīng)延伸到下一個(gè)脈沖時(shí)，脈沖開(kāi)始相互干擾。在接收端接收到的電壓不再是發(fā)送器在時(shí)間t 1 發(fā)送的比特的簡(jiǎn)單函數(shù)，而是還取決于前一個(gè)比特（在時(shí)間t 0 ）和以下位（在時(shí)間t 2 發(fā)送）。

圖4說(shuō)明了在帶寬限制為一階滯后（單個(gè)RC）的情況下，示波器連接到上述簡(jiǎn)單噪聲通信系統(tǒng)中線路接收端的情況。 。示出了兩種響應(yīng)，實(shí)際接收的脈沖序列的一部分和在每個(gè)周期上觸發(fā)的圖，使得響應(yīng)全部被覆蓋。后者稱為“眼睛”圖，它結(jié)合了帶寬和噪聲的信息;如果“眼睛”對(duì)所有跡線都足夠開(kāi)放，則可以容易地將0與0區(qū)分開(kāi)。在圖4a的足夠帶寬情況下，可以看到明確的1s，0s和從1到0的急劇轉(zhuǎn)換。隨著帶寬逐漸減小，（4b，4c，4d，4e），1s和0s開(kāi)始向著相互增加，增加了時(shí)間和電壓的不確定性。在帶寬減小和/或噪聲過(guò)大的情況下，這些比特相互滲透，使得難以區(qū)分1和0;據(jù)說(shuō)“眼睛”是關(guān)閉（4e）。

正如人們所料，設(shè)計(jì)一個(gè)電路來(lái)恢復(fù)像4a這樣的信號(hào)的比特要容易得多。從4d或4e。在限制級(jí)別的情況下（d，e），決策元素在閾值水平或時(shí)間上的任何錯(cuò)位都將是災(zāi)難性的，而寬帶情況則相當(dāng)容忍這種錯(cuò)誤。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，要以速率F S 發(fā)送脈沖流，將需要至少F S / 2的帶寬來(lái)維持睜眼，并且通常將使用更寬的帶寬。 超額帶寬由實(shí)際帶寬與F S / 2的比率定義?？捎脦捦ǔＪ芩褂玫耐ㄐ沤橘|(zhì)的限制（無(wú)論是2000英尺的雙絞線，10英里的同軸電纜等），但是還必須確保發(fā)射器和接收器中的信號(hào)處理電路能夠不限制帶寬。

信號(hào)處理電路通?？捎糜趲椭鷾p輕帶限通道引入的碼間干擾的影響。圖5顯示了帶限通道的簡(jiǎn)化框圖，后面跟著均衡器，后跟“切片器”位。均衡器的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)傳輸功能，該功能實(shí)際上是在頻帶的一部分上的傳輸信道的反轉(zhuǎn)以擴(kuò)展帶寬。例如，如果傳輸信道充當(dāng)?shù)屯?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器，則均衡器可以實(shí)現(xiàn)高通特性，使得通過(guò)這兩個(gè)元件的信號(hào)將從均衡器中出來(lái)，在更寬的帶寬上不失真。

雖然原則上很簡(jiǎn)單，但在實(shí)踐中很難實(shí)施。首先，傳輸信道的傳遞函數(shù)通常不是很精確地知道，也不是從一種情況到下一種情況是恒定的。 （你和你的鄰居在街上有不同長(zhǎng)度的電話線回到電話公司中心辦公室，因此帶寬會(huì)略有不同。）這意味著這些均衡器通常必須是可調(diào)的或自適應(yīng)的。此外，進(jìn)一步考慮圖5，我們看到無(wú)源均衡器可以使頻率響應(yīng)變平，但也會(huì)衰減信號(hào)。信號(hào)可以重新放大，但可能會(huì)降低信噪比。該方法的后果將在下一節(jié)中討論。雖然它們并非易于治愈，但均衡器是許多通信系統(tǒng)的重要組成部分，特別是那些在帶寬受限的信道上尋求最大可能比特率的通信系統(tǒng)。目前使用的極其復(fù)雜的均衡方案，包括決策反饋均衡器，顧名思義，它使用從決策元素輸出到均衡模塊的反饋，試圖消除后沿符號(hào)間干擾。 1 < / sup>

多級(jí)符號(hào) - 一次發(fā)送多個(gè)位：由于帶寬限制設(shè)置了每秒可以有效傳輸?shù)拿}沖數(shù)的上限通過(guò)一次發(fā)送兩個(gè)比特，可以決定通過(guò)信道獲得更多數(shù)據(jù)?？梢园l(fā)送和接收4個(gè)不同的狀態(tài)，而不是在二進(jìn)制系統(tǒng)中發(fā)送“0”或“1”，對(duì)應(yīng)于“0”（00），“1”（01），“2”（10），或者“3”（11）。發(fā)送器可以是簡(jiǎn)單的2位DAC，接收器可以是2位ADC。 （圖6）。在這種稱為脈沖幅度調(diào)制（PAM）的調(diào)制中，附加信息已經(jīng)被編碼在比特流的幅度中。

通信不再是一次一個(gè)比特;每個(gè)傳輸事件都會(huì)發(fā)送多位字或符號(hào)。然后，必須區(qū)分系統(tǒng)的比特率或每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，以及其符號(hào)速率或波特率，即每秒傳輸?shù)姆?hào)的數(shù)量。這兩個(gè)比率簡(jiǎn)單相關(guān)：

比特率=符號(hào)率（波特率）×比特/符號(hào)

上一節(jié)討論的帶寬限制和符號(hào)間干擾限制了可實(shí)現(xiàn)的符號(hào)率，因?yàn)樗鼈兿拗屏恕皞鬏斒录痹跁r(shí)間上的間隔距離。然而，通過(guò)每符號(hào)發(fā)送多個(gè)比特，可以使用更高階調(diào)制方案來(lái)增加有效比特率。發(fā)射器和接收器變得更加復(fù)雜。發(fā)射器上的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)現(xiàn)在已經(jīng)被DAC取代，接收器中的單個(gè)比較器現(xiàn)在是A / D轉(zhuǎn)換器。此外，有必要更加小心地適當(dāng)?shù)乜s放接收信號(hào)的幅度;需要更多信息而不僅僅是標(biāo)志。簡(jiǎn)化假設(shè)表示接收器的A / D轉(zhuǎn)換器被實(shí)現(xiàn)為直接閃存轉(zhuǎn)換器，顯然接收器硬件復(fù)雜度隨著每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)：一位，一個(gè)比較器;兩位，3位比較器;三位，7個(gè)比較器等。根據(jù)具體應(yīng)用，電路成本不應(yīng)隨著每個(gè)符號(hào)的位數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，但通常會(huì)比線性增加更陡峭。但是，硬件復(fù)雜性并不是可以傳輸?shù)拿總€(gè)符號(hào)位數(shù)的唯一限制因素。

噪聲限制

再次考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子 - 每符號(hào)位PCM調(diào)制。假設(shè)1 V用于發(fā)送“1”，1 V用于發(fā)送“0”，則簡(jiǎn)單接收器（圖3）是比較器，其判決閾值為0 V.在接收的位是一個(gè)“0”，并且通道帶寬足夠?qū)挘瑤缀鯖](méi)有符號(hào)間干擾，在無(wú)噪聲的環(huán)境中，接收器的電壓預(yù)計(jì)為1 V.現(xiàn)在為接收信號(hào)引入加性噪聲（這可能會(huì)出現(xiàn)來(lái)自任何數(shù)量的來(lái)源，但為了簡(jiǎn)單和通用，假設(shè)它是高斯白噪聲，可能對(duì)應(yīng)于熱噪聲）。在應(yīng)用決策元件時(shí)，比較器處的電壓將通過(guò)加性噪聲與1V不同。噪聲不會(huì)引起真正關(guān)注，除非它包含將電壓電平推到0 V以上的值。如果噪聲足夠大（并且在正確的符號(hào)中）這樣做，決策元件將響應(yīng)它已收到“ 1“，產(chǎn)生一點(diǎn)誤差。 在圖4d的眼圖中，噪音會(huì)偶爾閉合“眼睛”。

如果系統(tǒng)被修改為發(fā)送一個(gè)4位（16級(jí)）符號(hào)，具有相同的峰峰值電壓，1 V對(duì)應(yīng)于“0”（0000），+ 1 V對(duì)應(yīng)于“15” “（1111）?，F(xiàn)在，“0”和下一個(gè)更高級(jí)別“1”之間的增量閾值要小得多：16個(gè)不同的狀態(tài)必須適合2-V范圍，因此狀態(tài)大約相距125 mV，中心到中心。如果決策閾值被最佳地放置，則狀態(tài)的“中心”將與相鄰閾值相距62.5mV。在這種情況下，> 62.5 mV的噪聲將導(dǎo)致“誤碼”。如果初始假設(shè)成立且加性噪聲本質(zhì)上是高斯噪聲，則可以從均方根噪聲值預(yù)測(cè)噪聲超過(guò)該臨界值的頻率。圖7顯示了兩個(gè)不同均方根噪聲值的概率密度函數(shù)的誤差閾值62.5 mV。由此可以預(yù)測(cè)誤碼率，或者對(duì)于給定的傳輸比特率，接收數(shù)據(jù)的解釋頻率是多少。

必須特別注意數(shù)據(jù)的編碼方式：如果代碼1000是遠(yuǎn)離代碼0111的一個(gè)閾值，小的噪聲偏移實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致所有4位被誤解釋。由于這個(gè)原因，格雷碼（在相鄰狀態(tài)之間一次僅改變一位，例如00,01,11,10）通常用于最小化兩個(gè)相鄰狀態(tài)之間誤解釋引起的誤碼影響。

因此，盡管比特率有所增加，但使用每個(gè)符號(hào)使用更多比特的高階調(diào)制方案存在限制：不僅硬件會(huì)變得更復(fù)雜，而且對(duì)于給定的噪聲級(jí)別，比特錯(cuò)誤會(huì)更多頻繁。誤碼率是否可以容忍，在很大程度上取決于應(yīng)用;數(shù)字化的語(yǔ)音信號(hào)可能聽(tīng)起來(lái)合理，誤碼率為10 5 ，而關(guān)鍵的圖像傳輸可能需要10 15 。

可以通過(guò)各種編碼和奇偶校驗(yàn)方案檢測(cè)和糾正比特錯(cuò)誤，但這些方案引入的開(kāi)銷最終消耗了增加符號(hào)大小所獲得的額外比特容量。嘗試提高信噪比（SNR）的一種方法是增加發(fā)射功率;例如，將信號(hào)幅度從2 V峰峰值增加到20 V峰峰值，從而將“誤差閾值”增加到625 mV。不幸的是，增加傳輸功率通常會(huì)增加系統(tǒng)的成本。在許多情況下，出于安全原因，可以在給定信道中傳輸?shù)淖畲蠊β士赡苁艿奖O(jiān)管機(jī)構(gòu)的限制，或者確保使用相同或相鄰信道的其他服務(wù)不受干擾。然而，在使用所有可用容量的系統(tǒng)中，發(fā)射功率水平通常會(huì)被推到最大實(shí)際/合法水平。

電壓噪聲不是唯一的信號(hào)損傷會(huì)降低接收器的性能。如果將定時(shí)噪聲或抖動(dòng)引入接收器“時(shí)鐘”，則決定“限幅器”將在次優(yōu)時(shí)間應(yīng)用，從而水平地縮小“眼睛”（圖4a-4d）。根據(jù)通道與帶限的接近程度，這可能會(huì)顯著降低“誤差閾值”，同時(shí)提高對(duì)電壓噪聲的靈敏度。因此，必須根據(jù)電壓域和時(shí)域誤差源的組合來(lái)確定SNR。

1 磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域讀取 - 渠道設(shè)計(jì)是改進(jìn)訪問(wèn)規(guī)范的持續(xù)斗爭(zhēng)中均衡器開(kāi)發(fā)的溫床。