数字通信系统详解

间。但现代基于IC的通信系统可以轻松地承担这个开销。

　　目前提供了许多不同类型的前向纠错技术，可以分为两类：分组码和卷积码。分组码工作于待发送数据位组成的固定组，该方法要加入额外的编码位。根据代码类型不同，可以发送或不发送原始数据。通用分组码包括：Hamming、BCH和Reed-Solomon码。其中Reed-Solomon码作为一种被称为低密度奇偶校验(LDPC)码的新型分组码的被广泛使用。

　　卷积码采用复杂的算法。例如Viterbi、Golay和turbo码。FEC技术广泛应用于无线和有线网络，包括手机、CD和DVD等存储媒介、硬盘驱动器和闪存驱动器。

　　FEC将改善S/N。对于一个给定的S/N值，采用FEC将会改善误码率，这称为“编码增益。”对于一个设定的误码率目标，编码增益被定义为已编码和未编码数据流的S/N值之差。例如，如果一个系统需要20dB的S/N以获得无需编码的10-6的误码率，而使用FEC只需 8dB的S/N，可以得到编码增益为20 - 8 = 12dB。

　　调制

　　几乎所有的调制方案都可用来传输数字数据。但在当今更复杂的关键应用中，使用得最广泛的方法是相移键控(PSK)和QAM的若干形式。在无线领域，扩频和正交频分复用(OFDM)等专用模式尤其被广为采用。

　　通过开启和关闭载波或在两个载波电平间进行切换来实现通断键控(OOK)和幅移键控(ASK)。这两种方式都被用于实现简单且不太重要的应用。由于它们容易受到噪声的影响，因此为获得可接受的误码率，传输范围必须短，信号强度必须高。

　　在嘈杂应用中表现极佳的频移键控(FSK)有几个广泛使用的变种。例如，最小移键控(MSK)和高斯滤波FSK是GSM蜂窝电话系统的基础。这些方法滤除二进制脉冲以限制其带宽，从而缩小了边带范围。他们还采用没有过零干扰的相干载波(载波是连续的)。此外，多频FSK系统提供了多个符号来提升给定带宽的数据速率。在大多数应用中，PSK使用得最广泛。

　　二进制相移键控(BPSK)是另一种流行的方法。普通老式BPSK备受青睐，其中，位数据0和1将载波相位旋转180°。星座图(图4a)是对BPSK的最好说明。其中，轴的每个相量代表载波振幅，而方向代表了载波相位。

　　四进制(4-ary)或正交PSK(QPSK)采用正弦和余弦波的四种组合生成分别相移90°的四个不同符号(图4b)。它使给定带宽的数据速率倍增，但对噪声有很强的免疫力。

　　除QPSK外，还有被称为M-ary PSK或M-PSK的技术。它使用诸如8PSK和16PSK那样的多个相位来生成载波的8或16个不同相移，从而允许在窄带宽中实现非常高的数据速率(图4c)。例如，8PSK允许每相符号传输3个位，理论上使给定带宽的数据速率增加了三倍。

　　最终的多级方案是QAM，它采用不同的幅值和相移组合来定义多达64至1024个或更多的不同符号。因此，QAM是在窄带宽内获取高数据速率技术的翘楚。

　　例如，当使用16QAM时，每个4位数组可以用一个特定振幅和相位角的相量来表示(图5)。由于有16种可能的符号，每波特或符号周期可以传送四位。因此，对给定的带宽来说，它实际上使数据速率达到原来的4倍。

　　目前，大部分数字调制和解调都采用数字信号处理(DSP)技术。数据首先进行编码再发送到数字信号处理器，处理器中的软件生成正确的位流。然后采用混频器对该位流进行I/Q或同相以及正交格式的编码(图6)。

　　图6：在发射器中广泛使用的I/Q调制方法源于数字信号处理器。

　　随后，数模转换器(DAC)将I/Q数据转换成模拟信号并发送到混频器，在那里与载波或一些IF正弦和余弦波混合。对获得的信号进行归总以生成模拟RF输出。可能需要进一步的频率转换。只要你拥有正确的DSP代码，事实上可以用这种方式实现任何调制方式。(PSK和QAM调制方式是最常见的。)

　　在接收器端，将来自天线的信号放大、下变频并送至I/Q解调器(图7)。该信号与正弦和余弦波进行混频，然后对其进行滤波以生成I和Q信号。用模数转换器(ADC)将这些信号数字化并送至数字信号处理器进行最终解调。

　　图7：I/Q接收器恢复数据并在数字信号处理器中解调。

　　大多数无线电架构都使用这种I/Q方案和DSP。它通常被称为软件定义无线电(SDR)。DSP软件管理调制、解调及包括一些过滤在内的其它信号处理。

　　如前所述，扩频和OFDM是两种特别重要的调制方式。这些宽带的宽频带宽方案同样采用复用或多路访问的形式。很多手机中采用了扩频技术，允许多个用户共享一个公用带宽。这被称为码分多址(CDMA)。OFDM也采用了宽频带宽技术以使多个用户接入同一个宽信道。

图8显示了如何修改数字化串行语音、视频或其它数据以实现扩频。该方法被称为直接序列扩频(DSSS)，其中串行数据连同一个频率高得多的chipping信号一起被发送到异或(OR)门。对该信号