數(shù)字通信系統(tǒng)詳解

　　基本原理

　　所有的通信系統(tǒng)都包括一個(gè)發(fā)射器(TX)、一個(gè)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(hào)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(lái)提高可靠性。將本文中討論的信息視為不歸零(NRZ)二進(jìn)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(wú)線通信的無(wú)障空間。在所有情況下，信號(hào)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。

　　圖1：編碼在一個(gè)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)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?jǐn)?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(fù)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(jì)時(shí)，而異步方式使用啟動(dòng)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(gè)簡(jiǎn)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(shí)(或至少是并發(fā))發(fā)送和接收，例如電話。

　　拓?fù)渫瑯邮峭ㄐ诺幕A(chǔ)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)以及多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)都是常用拓?fù)?。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(huì)見到使用多條串行路徑的情況，例如四對(duì)UTP CAT 5e/6電纜或并行光纜。多輸入多輸出(MIMO)無(wú)線技術(shù)也采用兩或多個(gè)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(shí)間(t)的倒數(shù)：

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　　C = 1/t

　　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(gè)位間隔時(shí)間。代表速率的字符R也常被用來(lái)指代數(shù)據(jù)速率。一個(gè)位間隔時(shí)間為100ns的信號(hào)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(gè)數(shù)據(jù)速率為C的二進(jìn)制信號(hào)是個(gè)大問題。事實(shí)證明，決定帶寬的是位脈沖的上升時(shí)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(shí)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(jìn)行更精確的測(cè)量。Hartley指出，一個(gè)無(wú)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(jí)或二進(jìn)制信號(hào)。如果采用多級(jí)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?jí)數(shù)或符號(hào)數(shù)。計(jì)算底數(shù)為2的對(duì)數(shù)是件苦差事，所以將其轉(zhuǎn)換為：

　　log2N = (3.32)log10N

　　此時(shí)，log10N就是數(shù)字N的常用對(duì)數(shù)。因此

　　C = 2B(3.32)log10N

　　對(duì)于二進(jìn)制或兩級(jí)傳輸來(lái)說(shuō)，6MHz帶寬所能實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率就如上式給出的：

　　C = 2(6)(3.32)log102 = 12 Mbits/s

　　當(dāng)采用四個(gè)電壓級(jí)時(shí)，6MHz信道的最大理論數(shù)據(jù)速率為：

　　C = 2(6)(3.32)log104 = 24 Mbits/s

　　為解釋這點(diǎn)，讓我們考慮多級(jí)傳輸方案?？赏ㄟ^一個(gè)基帶傳輸路徑傳輸多個(gè)電壓級(jí)，其中每個(gè)電壓級(jí)代表兩個(gè)或多個(gè)位。假設(shè)我們要傳輸一個(gè)串行的8位字節(jié)(圖3a)，并假定一個(gè)1μs的位周期對(duì)應(yīng)一個(gè)1Mbps的時(shí)鐘。所需的最窄帶寬是：

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　　B = C/2 = 1 Mbit/s/2 = 500kHz

　　當(dāng)采用四個(gè)電壓級(jí)時(shí)，每個(gè)電壓級(jí)可以傳送兩位(圖3b)。每一級(jí)被稱為一個(gè)符號(hào)。在這個(gè)例子中，四個(gè)電壓級(jí)(0、1、2和3V)傳輸同一個(gè)字節(jié)11001001。該技術(shù)被稱為脈幅調(diào)制(PAM)。每一級(jí)或符號(hào)的時(shí)長(zhǎng)為1μs，求得的符號(hào)率(也稱為波特率)為1Msymbol/s。因此，波特率為1Mbaud，但實(shí)際位速率是其兩倍，即2Mbps。請(qǐng)注意它只需一半的時(shí)間就可以傳輸相同的數(shù)據(jù)量。

　　這意味著對(duì)于給定的時(shí)鐘速率來(lái)說(shuō)，可在8μs內(nèi)傳輸以二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式表示的8位數(shù)據(jù)。如果采用四個(gè)電壓級(jí)的PAM，則在同樣時(shí)間內(nèi)可傳輸兩倍的數(shù)據(jù)量(即16位)。對(duì)于一個(gè)給定帶寬來(lái)說(shuō)，這相當(dāng)于4Mbps的更高數(shù)據(jù)速率。Shannon后來(lái)對(duì)這一基本關(guān)系式進(jìn)行了修改，將信噪比(S/N或SNR)因素也考慮在內(nèi)：

　　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(分貝)來(lái)衡量。你還能看到把S/N稱為載波噪聲比(或C/N)的。C/N通常被定義為調(diào)制或?qū)拵盘?hào)的S/N。S/N用于基帶或解調(diào)后。對(duì)一個(gè)20dB或100比1的S/N來(lái)說(shuō)，6MHz信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率是：

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

　　若S/N = 1或0dB，則數(shù)據(jù)速率降低到：

　　C = 6(3.32)log10(1 + 1) = 6 Mbits/s

　　最后一個(gè)例子說(shuō)明了為什么許多工程師使用保守的大拇指規(guī)則：在有噪聲的信道中，數(shù)據(jù)速率約等于帶寬，即C=B。

　　如果具有良好S/N的信道所支持的數(shù)據(jù)速率看起來(lái)違背了物理定律，那是因?yàn)镾hannon-Hartley公式?jīng)]有明確指定在傳輸中可使用多個(gè)電壓級(jí)或符號(hào)。請(qǐng)看下式：

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

　　這里，M是電壓級(jí)數(shù)目或符號(hào)數(shù)。求解M：

　　M = √(1 + S/N)

　　以6MHz信道、40Mbps數(shù)據(jù)速率為例(假設(shè)S/N=100)。這將需要多個(gè)電壓級(jí)或符號(hào)：

　　M = √(1 + 100) = 10

　　理論上，用10個(gè)電壓級(jí)就可以實(shí)現(xiàn)40Mbps的速率。

　　除了用不同的電壓級(jí)之外，還可以用其它方式來(lái)表示等級(jí)或符號(hào)。它們可以是不同的相移或頻率，或電壓級(jí)、相移和頻率的某種組合?；叵胍幌?，正交調(diào)幅(QAM)就是不同電壓級(jí)和相移的組合。作為在窄信道內(nèi)實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的首選調(diào)制方法，QAM在數(shù)字電視以及諸如HSPA、WiMAX和長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)等無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)中得到應(yīng)用。

　　信道損傷

　　在傳輸過程中，數(shù)據(jù)會(huì)受到許多“傷害”，尤其是來(lái)自噪聲的影響。計(jì)算帶寬與數(shù)據(jù)速率應(yīng)假設(shè)存在加性高斯白噪聲(AWGN)。

　　噪聲的來(lái)源各式各樣。例如，熱激發(fā)會(huì)產(chǎn)生噪聲，它對(duì)接收器前端影響最大。電阻和晶體管也是噪聲源，而半導(dǎo)體是另一種噪聲源?；フ{(diào)失真也產(chǎn)生噪聲。此外，通過在非線性電路內(nèi)混頻產(chǎn)生的信號(hào)所造成的干擾信號(hào)也被視為噪聲處理。

　　其它噪聲源包括通過電容或電感耦合從電纜上獲取的信號(hào)。汽車點(diǎn)火產(chǎn)生的脈沖噪聲、開/關(guān)馬達(dá)或繼電器引發(fā)的感應(yīng)沖擊以及電源線尖峰信號(hào)對(duì)數(shù)字信號(hào)都特別有害。電源線引起的 60Hz“嗡嗡”噪聲是另一個(gè)例子。同一電纜內(nèi)一對(duì)導(dǎo)線與另一對(duì)導(dǎo)線耦合而成的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生“交叉干擾”噪聲。在無(wú)線鏈路上，噪聲可能來(lái)自大氣(如閃電)甚至來(lái)自各個(gè)星球。

　　由于噪聲通常是隨機(jī)的，因此其頻譜很廣。通過簡(jiǎn)單的過濾來(lái)限制帶寬可以降低噪聲。但縮窄帶寬顯然將影響數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　還要著重指出的是，數(shù)字系統(tǒng)中處理噪聲的方式與模擬系統(tǒng)不同。S/N或C/N被用于模擬系統(tǒng)，但評(píng)估數(shù)字系統(tǒng)通常采用Eb/N0。Eb/N0是每比特能量與頻譜噪聲密度之比。它通常表示為Eb/N0。

　　能量Eb用焦耳表示，它是信號(hào)功率(P)與位時(shí)間t的乘積。由于數(shù)據(jù)容量或速率C(有時(shí)稱為R)是t的倒數(shù)，因此Eb=P/R。N0=N(噪聲功率)/B(帶寬)。使用上述定義，可以看到Eb/N0與S/N的關(guān)系如下：

　　Eb/N0= S/N (B/R)

　　記住，也可以用dB表示Eb/N0和S/N。

　　在數(shù)字系統(tǒng)中，每比特能量能夠更準(zhǔn)確地衡量噪聲。這是因?yàn)樾盘?hào)傳輸通常是在短期內(nèi)進(jìn)行，能量平均分布于這段時(shí)間。通常模擬信號(hào)是連續(xù)的。無(wú)論什么情況，Eb/N0通常在采用調(diào)制的系統(tǒng)的接收器輸入端確定。它是對(duì)噪聲水平的一種度量，并將影響接收誤碼率(BER)。不同的調(diào)制方法有不同的Eb/N0值和相關(guān)BER。

　　另一種常見的信號(hào)損傷是衰減。阻性損耗、濾波效應(yīng)和傳輸線不匹配都不可避免地導(dǎo)致電纜衰減。在無(wú)線系統(tǒng)中，信號(hào)強(qiáng)度通常遵從與發(fā)射器和接收器之間距離的平方成正比的衰減公式。

　　最后，延遲失真是另一個(gè)信號(hào)損傷源。不同頻率的信號(hào)在傳輸信道上會(huì)產(chǎn)生不同程度的延遲，從而造成信號(hào)失真。

　　信道損傷最終將導(dǎo)致信號(hào)損失和位傳輸錯(cuò)誤。噪聲是位錯(cuò)誤的最常見元兇。丟失或被更改的位將導(dǎo)致嚴(yán)重的傳輸錯(cuò)誤，進(jìn)而可能使通信變得不可靠。因此，誤碼率被用來(lái)表明信道的傳輸質(zhì)量。

　　誤碼率是S/N的直接函數(shù)，僅指在給定時(shí)間段內(nèi)，錯(cuò)誤位數(shù)與總傳輸位數(shù)之比。它通常被視為在大量傳輸位中出錯(cuò)的概率。每10萬(wàn)位傳輸出現(xiàn)一個(gè)位誤差的BER為10-5?！傲己谩闭`碼率的定義取決于應(yīng)用和技術(shù)，但10-5到10-12之間的誤碼率是一個(gè)共同目標(biāo)。

　　糾錯(cuò)編碼

　　錯(cuò)誤檢測(cè)與糾錯(cuò)技術(shù)有助于減少位誤差并改善誤碼率。最簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式是使用校驗(yàn)位、總和校驗(yàn)碼或循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)。它們被添加到待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)上。接收器重建這些代碼，進(jìn)行比較然后識(shí)別錯(cuò)誤。如果發(fā)生錯(cuò)誤，則會(huì)向發(fā)送器發(fā)送自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(ARQ)，受損數(shù)據(jù)被重新發(fā)送。不是所有系統(tǒng)都采用ARQ，但未采用ARQ的系統(tǒng)通常也會(huì)使用ARQ的某種形式。

　　但最現(xiàn)代化的通信系統(tǒng)通常會(huì)使用先進(jìn)的前向糾錯(cuò)(FEC)技術(shù)。利用專用數(shù)學(xué)編碼，待發(fā)送的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成一個(gè)附加位集，然后該位集也被發(fā)送。如果出現(xiàn)位誤差，則接收器可以檢測(cè)到故障位并實(shí)際修正全部或大部分錯(cuò)誤。這使得誤碼率大大改善。

　　當(dāng)然，缺點(diǎn)是增加了編碼復(fù)雜性以及為傳輸附加位所需的額外傳輸時(shí)間。但現(xiàn)代基于IC的通信系統(tǒng)可以輕松地承擔(dān)這個(gè)開銷。

　　目前提供了許多不同類型的前向糾錯(cuò)技術(shù)，可以分為兩類：分組碼和卷積碼。分組碼工作于待發(fā)送數(shù)據(jù)位組成的固定組，該方法要加入額外的編碼位。根據(jù)代碼類型不同，可以發(fā)送或不發(fā)送原始數(shù)據(jù)。通用分組碼包括：Hamming、BCH和Reed-Solomon碼。其中Reed-Solomon碼作為一種被稱為低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)碼的新型分組碼的被廣泛使用。

　　卷積碼采用復(fù)雜的算法。例如Viterbi、Golay和turbo碼。FEC技術(shù)廣泛應(yīng)用于無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)，包括手機(jī)、CD和DVD等存儲(chǔ)媒介、硬盤驅(qū)動(dòng)器和閃存驅(qū)動(dòng)器。

　　FEC將改善S/N。對(duì)于一個(gè)給定的S/N值，采用FEC將會(huì)改善誤碼率，這稱為“編碼增益?！睂?duì)于一個(gè)設(shè)定的誤碼率目標(biāo)，編碼增益被定義為已編碼和未編碼數(shù)據(jù)流的S/N值之差。例如，如果一個(gè)系統(tǒng)需要20dB的S/N以獲得無(wú)需編碼的10-6的誤碼率，而使用FEC只需 8dB的S/N，可以得到編碼增益為20 - 8 = 12dB。

　　調(diào)制

　　幾乎所有的調(diào)制方案都可用來(lái)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。但在當(dāng)今更復(fù)雜的關(guān)鍵應(yīng)用中，使用得最廣泛的方法是相移鍵控(PSK)和QAM的若干形式。在無(wú)線領(lǐng)域，擴(kuò)頻和正交頻分復(fù)用(OFDM)等專用模式尤其被廣為采用。

　　通過開啟和關(guān)閉載波或在兩個(gè)載波電平間進(jìn)行切換來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷鍵控(OOK)和幅移鍵控(ASK)。這兩種方式都被用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且不太重要的應(yīng)用。由于它們?nèi)菀资艿皆肼暤挠绊?，因此為獲得可接受的誤碼率，傳輸范圍必須短，信號(hào)強(qiáng)度必須高。

　　在嘈雜應(yīng)用中表現(xiàn)極佳的頻移鍵控(FSK)有幾個(gè)廣泛使用的變種。例如，最小移鍵控(MSK)和高斯濾波FSK是GSM蜂窩電話系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這些方法濾除二進(jìn)制脈沖以限制其帶寬，從而縮小了邊帶范圍。他們還采用沒有過零干擾的相干載波(載波是連續(xù)的)。此外，多頻FSK系統(tǒng)提供了多個(gè)符號(hào)來(lái)提升給定帶寬的數(shù)據(jù)速率。在大多數(shù)應(yīng)用中，PSK使用得最廣泛。

　　二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)是另一種流行的方法。普通老式BPSK備受青睞，其中，位數(shù)據(jù)0和1將載波相位旋轉(zhuǎn)180°。星座圖(圖4a)是對(duì)BPSK的最好說(shuō)明。其中，軸的每個(gè)相量代表載波振幅，而方向代表了載波相位。

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　　四進(jìn)制(4-ary)或正交PSK(QPSK)采用正弦和余弦波的四種組合生成分別相移90°的四個(gè)不同符號(hào)(圖4b)。它使給定帶寬的數(shù)據(jù)速率倍增，但對(duì)噪聲有很強(qiáng)的免疫力。

　　除QPSK外，還有被稱為M-ary PSK或M-PSK的技術(shù)。它使用諸如8PSK和16PSK那樣的多個(gè)相位來(lái)生成載波的8或16個(gè)不同相移，從而允許在窄帶寬中實(shí)現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率(圖4c)。例如，8PSK允許每相符號(hào)傳輸3個(gè)位，理論上使給定帶寬的數(shù)據(jù)速率增加了三倍。

　　最終的多級(jí)方案是QAM，它采用不同的幅值和相移組合來(lái)定義多達(dá)64至1024個(gè)或更多的不同符號(hào)。因此，QAM是在窄帶寬內(nèi)獲取高數(shù)據(jù)速率技術(shù)的翹楚。

　　例如，當(dāng)使用16QAM時(shí)，每個(gè)4位數(shù)組可以用一個(gè)特定振幅和相位角的相量來(lái)表示(圖5)。由于有16種可能的符號(hào)，每波特或符號(hào)周期可以傳送四位。因此，對(duì)給定的帶寬來(lái)說(shuō)，它實(shí)際上使數(shù)據(jù)速率達(dá)到原來(lái)的4倍。

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　　目前，大部分?jǐn)?shù)字調(diào)制和解調(diào)都采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)。數(shù)據(jù)首先進(jìn)行編碼再發(fā)送到數(shù)字信號(hào)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(duì)該位流進(jìn)行I/Q或同相以及正交格式的編碼(圖6)。

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　　圖6：在發(fā)射器中廣泛使用的I/Q調(diào)制方法源于數(shù)字信號(hào)處理器。

　　隨后，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將I/Q數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)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(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行歸總以生成模擬RF輸出?？赡苄枰M(jìn)一步的頻率轉(zhuǎn)換。只要你擁有正確的DSP代碼，事實(shí)上可以用這種方式實(shí)現(xiàn)任何調(diào)制方式。(PSK和QAM調(diào)制方式是最常見的。)

　　在接收器端，將來(lái)自天線的信號(hào)放大、下變頻并送至I/Q解調(diào)器(圖7)。該信號(hào)與正弦和余弦波進(jìn)行混頻，然后對(duì)其進(jìn)行濾波以生成I和Q信號(hào)。用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將這些信號(hào)數(shù)字化并送至數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行最終解調(diào)。

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　　圖7：I/Q接收器恢復(fù)數(shù)據(jù)并在數(shù)字信號(hào)處理器中解調(diào)。

　　大多數(shù)無(wú)線電架構(gòu)都使用這種I/Q方案和DSP。它通常被稱為軟件定義無(wú)線電(SDR)。DSP軟件管理調(diào)制、解調(diào)及包括一些過濾在內(nèi)的其它信號(hào)處理。

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

　　圖8顯示了如何修改數(shù)字化串行語(yǔ)音、視頻或其它數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。該方法被稱為直接序列擴(kuò)頻(DSSS)，其中串行數(shù)據(jù)連同一個(gè)頻率高得多的chipping信號(hào)一起被發(fā)送到異或(OR)門。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行編碼，以便它能被接收器識(shí)別。結(jié)果窄帶(幾KHz)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為一個(gè)占用寬信道、帶寬更寬的信號(hào)。在手機(jī)CDMA2000系統(tǒng)中，信道帶寬為1.25MHz，切割信號(hào)為1.288Mbps。因此，數(shù)據(jù)信號(hào)被分布在整個(gè)頻帶。

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　　采用稱為FHSS的跳頻方案也可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。在這種配置下，數(shù)據(jù)在隨機(jī)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(nèi)。了解這種跳頻模式和速率的接收器可以重建數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行解調(diào)。FHSS的最常見應(yīng)用是藍(lán)牙無(wú)線設(shè)備。

　　其它數(shù)據(jù)信號(hào)用相同的方式處理，并在同一信道中傳送。由于每個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)借助特定切割信號(hào)代碼進(jìn)行了唯一編碼，因此這些信號(hào)實(shí)際上具有擾頻和偽隨機(jī)性質(zhì)。它們?cè)谛诺郎匣ハ嘀丿B。接收器只接收到低噪聲電平。接收器內(nèi)的專用相關(guān)器和解碼器可以挑選所需信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)。

　　在OFDM中，高速串行數(shù)據(jù)流被分成多個(gè)低速的并行數(shù)據(jù)流。每個(gè)數(shù)據(jù)流對(duì)主信道內(nèi)一個(gè)極窄的子信道進(jìn)行調(diào)制。根據(jù)所需的數(shù)據(jù)速率和應(yīng)用的可靠性要求，采用BPSK、QPSK或不同級(jí)別的QAM進(jìn)行調(diào)制。

　　將多個(gè)相鄰的子信道設(shè)計(jì)成彼此正交。因此，一個(gè)子信道的數(shù)據(jù)不會(huì)與相鄰信道產(chǎn)生碼間干擾。其結(jié)果是一個(gè)高速數(shù)據(jù)信號(hào)以多個(gè)并行、低速數(shù)據(jù)流形式在更寬的帶寬內(nèi)傳播。

　　每個(gè)OFDM系統(tǒng)的子信道數(shù)都不同，Wi-Fi無(wú)線系統(tǒng)是52條;而類似LTE那樣的手機(jī)系統(tǒng)和諸如WiMAX等無(wú)線寬帶系統(tǒng)則多達(dá)1024條。如此多的子信道使得可以將它們分組。每個(gè)組可發(fā)送一組聲音或其它數(shù)據(jù)信號(hào)，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(tǒng)為例，它使用OFDM方案在20MHz信道上實(shí)現(xiàn)54Mbps的數(shù)據(jù)速率(圖9)。

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　　所有新型手機(jī)和無(wú)線寬帶系統(tǒng)都采用OFDM的原因是，它具有高速性能和可靠的通信品質(zhì)。寬帶DSL基于OFDM技術(shù)，許多電力線技術(shù)也是如此。但實(shí)現(xiàn)OFDM并非易事，DSP在此大顯身手。

　　如前所述，調(diào)制方法隨其在給定帶寬內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量以及可承受的噪聲強(qiáng)度而異。每個(gè)給定Eb/N0比的誤碼率是它的一個(gè)度量指標(biāo)(圖10)。對(duì)于低Eb/N0來(lái)說(shuō)，諸如BPSK和QPSK等簡(jiǎn)單調(diào)制方案可提供更低的誤碼率，這使得它們?cè)陉P(guān)鍵的應(yīng)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(jí)別的QAM可在相同帶寬內(nèi)產(chǎn)生更高的數(shù)據(jù)速率。此外，需權(quán)衡的是在給定帶寬條件下如何取舍誤碼率和數(shù)據(jù)速率。

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　　頻譜效率

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

　　還記得56K撥號(hào)調(diào)制解調(diào)器嗎?這種設(shè)備在4kHz電話信道內(nèi)取得了驚人的56kbps速率，其頻譜效率為14(bits/s)/Hz。對(duì)2.7(bits/s)/Hz的頻譜效率來(lái)說(shuō)， 802.11g Wi-Fi無(wú)線系統(tǒng)在20MHz信道上的最大吞吐量為54Mbps。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字GSM手機(jī)在200kHz信道上可實(shí)現(xiàn)104kbps的速率，因此其頻譜效率為0.53(bits/s)/Hz。在引入EDGE調(diào)制后，頻譜效率提升為1.93(bits/s)/Hz。即將發(fā)力的LTE手機(jī)在20MHz信道上更將頻譜效率提升到16.32(bits/s)/Hz這樣一個(gè)新水平。

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

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　　數(shù)據(jù)壓縮

　　數(shù)據(jù)壓縮提供了在給定帶寬內(nèi)傳輸更多數(shù)據(jù)的另一種方法?？衫酶鞣N數(shù)學(xué)算法將原始數(shù)據(jù)壓縮成較少的位數(shù)。壓縮加快了傳輸速度并將存儲(chǔ)需求降至最低。在接收端進(jìn)行壓縮算法的反運(yùn)算，就可以恢復(fù)數(shù)據(jù)。

　　壓縮方案可以產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百比一的壓縮比。它們包括用于MP3播放器、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語(yǔ)音(VoIP)電話和數(shù)字收音機(jī)的語(yǔ)音壓縮方案。視頻也廣泛采用了壓縮技術(shù)。MPEG2標(biāo)準(zhǔn)被用于數(shù)字電視，而MPEG4和H.264標(biāo)準(zhǔn)則用于移動(dòng)視頻和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。