数字通信技术浅析

塞缪尔·莫尔斯(Samuel Morse)在1845年发明的电报标志着电子通信从数字技术开始起步。他着名的以点和短线表示的代码代表流经长距离电报线的电流的二进制(0/1)编码。无线通信同样也始于数字技术，借助莫尔斯代码生成连续波火花隙脉冲的0/1传输。

　　接着出现了以电话和调幅(AM)广播为代表的主导通信领域数十年的模拟通信。现在，模拟技术正在慢慢消退，仅在传统电话系统，AM和FM无线电广播，业余无线电、市民频段(CB)/家庭及短波接收装置以及一些传统的双向移动无线电设备中还采用模拟技术。而几乎所有其它应用(包括电视)都采用数字技术。移动电话和网络通信都基于数字技术。无线网络也是采用数字技术。

　　虽然原则众所周知，但业内资深人士也许错过了数字通信的专业培训。熟知数字通信技术基础知识，将使人们在面对源源不断的新通信技术、产品、趋势和问题时有更广阔的视角。

　　基本原理

　　所有的通信系统都包括一个发射器(TX)、一个接收器(RX)和传输介质(图1)。TX和RX使兼容于传输介质的信息信号得以传输，其中可能涉及到调制。一些系统采用某种形式的编码来提高可靠性。将本文中讨论的信息视为不归零(NRZ)二进制数据。而传输介质可能是诸如非屏蔽双绞线(UTP)或同轴电缆那样的铜电缆，光缆，或者是用于无线通信的无障空间。在所有情况下，信号都将被介质极大地削弱并叠加上噪声。噪声(而非衰减)通常决定着一种通讯介质是否可靠。

图1：编码在一个通信系统的简化模式中是可选的，但一些系统要求调制。噪声在很大程度上决定了传输范围和可靠性。

　　通信可分为两大类：基带或宽带。所谓基带传输是数据直接通过介质本身传输，如通过RS-485或I2C链路传送串行数字数据。最初的10Mbps以太网就是基带通信。宽带传输意味着采用调制(在某些情况下是复用)技术。有线电视和DSL也许是最好的宽带通信例子，蜂窝数据也属于宽带。

　　通信还有同步或异步两种模式。同步数据(如SONET光纤通信中的数据)被计时，而异步方式使用启动和停止位，RS-232及其它一些技术中采用的就是异步方式。

　　此外，通信链路还分为单工、半双工或全双工。单工链路指的是单向通信，广播就是个简单例子。双工是指双向通信。半双工是将同一条信道交替作为发送和接收信道。全双工意味着同时(或至少是并发)发送和接收，例如电话。

　　拓扑同样是通信的基础。点对点、一点对多点以及多点对一点都是常用拓扑。组网技术则包括总线、环状和网状网等几种方式。不一定要求它们适用于所有传输介质。

　　数据速率与带宽

　　数字通信串行发送各数据位，即一位接着一位。但是，你经常会见到使用多条串行路径的情况，例如四对UTP CAT 5e/6电缆或并行光缆。多输入多输出(MIMO)无线技术也采用两或多个并行位流。在任何情况下，基本数据传输速率(图2)或容量C是位时间(t)的倒数：

　　C = 1/t

　　C为信道容量或数据速率(以每秒内可传输的位数表示)，t为一个位间隔时间。代表速率的字符R也常被用来指代数据速率。一个位间隔时间为100ns的信号其数据速率是：

　　C = 1/100 × 10-9= 10Mbit/s

　　需多少带宽(B)才能传输一个数据速率为C的二进制信号是个大问题。事实证明，决定带宽的是位脉冲的上升时间(tR)：

　　B = 0.35/tR

　　B是以MHz表示的3dB带宽，tR以微秒(μs)为单位。该公式将傅立叶理论的效应考虑在内。例如，10ns(或0.01μs)的上升时间需要的带宽为：

　　B = 0.35/0.01 = 35MHz

　　采用香农-哈特利(Shannon-Hartley)定理可进行更精确的测量。Hartley指出，一个无噪声信道内给定数据速率所需的最窄带宽就是该数据速率的一半。

　　B = C/2

　　或给定带宽的最大可能数据速率为：

　　C = 2B

　　例如，6MHz带宽允许最高12Mbps的数据速率。Hartley还表示，该关系式仅适用于二级或二进制信号。如果采用多级传输，那么数据速率可表示为：

　　C = (2B)log2M

　　M表示传输的电压等级数或符号数。计算底数为2的对数是件苦差事，所以将其转换为：

　　log2N = (3.32)log10N

　　此时，log10N就是数字N的常用对数。因此

　　C = 2B(3.32)log10N

　　对于二进制或两级传输来说，6MHz带宽所能实现的数据速率就如上式给出的：

　　C = 2(6)(3.32)log102 = 12 Mbits/s

　　当采用四个电压级时，6MHz信道的最大理论数据速率为：

　　C = 2(6)(3.32)log104 = 24 Mbits/s

　　为解释这点，让我们考虑多级传输方案。可通过一个基带传输路径传输多个电压级，其中每个电压级代表两个或多个位。假设我们要传输一个串行的8位字节(图3a)，并假定一个1μs的位周期对应一个1Mbps的时钟。所需的最窄带宽是：

　　B = C/2 = 1 Mbit/s/2 = 500kHz

当采用四个电压级时，每个电压级可以传送两位(图3b