数字通讯体系详解
  发表时间:2024-04-19 02:03:49 | 作者:米乐首页 

  一切的通讯体系都包含一个发射器(TX)、一个接纳器(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,其间或许涉及到调制。一些体系选用某种办法的编码来进步牢靠性。将本文中评论的信息视为不归零(NRZ)二进制数据。而传输介质或许是比如非屏蔽双绞线(UTP)或同轴电缆那样的铜电缆,光缆,或者是用于无线通讯的无障空间。在一切状况下,信号都将被介质极大地削弱并叠加上噪声。噪声(而非衰减)一般决议着一种通讯介质是否牢靠。

  图1:编码在一个通讯体系的简化形式中是可选的,但一些体系要求调制。噪声在很大程度上决议了传输规模和牢靠性。

  通讯可分为两大类:基带或宽带。所谓基带传输是数据直接经过介质自身传输,如经过RS-485或I2C链路传送串行数字数据。开始的10Mbps以太网便是基带通讯。宽带传输意味着选用调制(在某些状况下是复用)技能。有线电视和DSL也许是最好的宽带通讯比如,蜂窝数据也归于宽带。

  通讯还有同步或异步两种形式。同步数据(如SONET光纤通讯中的数据)被计时,而异步办法运用发动和中止位,RS-232及其它一些技能中选用的便是异步办法。

  此外,通讯链路还分为单工、半双工或全双工。单工链路指的是单向通讯,播送便是个简略比如。双工是指双向通讯。半双工是将同一条信道替换作为发送和接纳信道。全双工意味着一起(或至少是并发)发送和接纳,例如电话。

  拓扑相同是通讯的根底。点对点、一点对多点以及多点对一点都是常用拓扑。组网技能则包含总线、环状和网状网等几种办法。不一定要求它们适用于一切传输介质。

  数字通讯串行发送各数据位,即一位接着一位。可是,你常常会见到运用多条串行途径的状况,例如四对UTP CAT 5e/6电缆或并行光缆。多输入多输出(MIMO)无线技能也选用两或多个并行位流。在任何状况下,根本数据传输速率(图2)或容量C是位时刻(t)的倒数:

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

  需多少带宽(B)才干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,决议带宽的是位脉冲的上升时刻(tR):

  B是以MHz表明的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)的上升时刻需求的带宽为:

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

  例如,6MHz带宽答应最高12Mbps的数据速率。Hartley还表明,该联系式仅适用于二级或二进制信号。假如选用多级传输,那么数据速率可表明为:

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

  关于二进制或两级传输来说,6MHz带宽所能完成的数据速率就如上式给出的:

  为解说这点,让咱们考虑多级传输计划。可经过一个基带传输途径传输多个电压级,其间每个电压级代表两个或多个位。假定咱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:

  当选用四个电压级时,每个电压级可以传送两位(图3b)。每一级被称为一个符号。在这个比如中,四个电压级(0、1、2和3V)传输同一个字节11001001。该技能被称为脉幅调制(PAM)。每一级或符号的时长为1μs,求得的符号率(也称为波特率)为1Msymbol/s。因而,波特率为1Mbaud,但实践位速率是其两倍,即2Mbps。请注意它只需一半的时刻就可以传输相同的数据量。

  这意味着关于给定的时钟速率来说,可在8μs内传输以二进制数据格式表明的8位数据。假如选用四个电压级的PAM,则在相同时刻内可传输两倍的数据量(即16位)。关于一个给定带宽来说,这相当于4Mbps的更高数据速率。Shannon后来对这一根本联系式进行了修正,将信噪比(S/N或SNR)要素也考虑在内:

  S/N是功率比,不能用dB(分贝)来衡量。你还能看到把S/N称为载波噪声比(或C/N)的。C/N一般被界说为调制或宽带信号的S/N。S/N用于基带或解调后。对一个20dB或100比1的S/N来说,6MHz信道的最大数据传输速率是:

  最终一个比如说明晰为什么许多工程师运用保存的大拇指规矩:在有噪声的信道中,数据速率约等于带宽,即C=B。

  假如具有杰出S/N的信道所支撑的数据速率看起来违反了物理规律,那是由于Shannon-Hartley公式没有清晰指定在传输中可运用多个电压级或符号。请看下式:

  以6MHz信道、40Mbps数据速率为例(假定S/N=100)。这将需求多个电压级或符号:

  除了用不同的电压级之外,还可以用其它办法来表明等级或符号。它们可以是不同的相移或频率,或电压级、相移和频率的某种组合。回想一下,正交调幅(QAM)便是不同电压级和相移的组合。作为在窄信道内完成高数据速率的首选调制办法,QAM在数字电视以及比如HSPA、WiMAX和长时刻演进(LTE)等无线规范中得到运用。

  在传输过程中,数据会遭到许多“损伤”,尤其是来自噪声的影响。核算带宽与数据速率应假定存在加性高斯白噪声(AWGN)。

  噪声的来历林林总总。例如,热激起会发生噪声,它对接纳器前端影响最大。电阻和晶体管也是噪声源,而半导体是另一种噪声源。互调失真也发生噪声。此外,经过在非线性电路内混频发生的信号所形成的搅扰信号也被视为噪声处理。

  其它噪声源包含经过电容或电感耦合从电缆上获取的信号。轿车焚烧发生的脉冲噪声、开/关马达或继电器引发的感应冲击以及电源线尖峰信号对数字信号都特别有害。电源线Hz“嗡嗡”噪声是另一个比如。同一电缆内一对导线与另一对导线耦合而成的信号会发生“穿插搅扰”噪声。在无线链路上,噪声或许来自大气(如闪电)乃至来自各个星球。

  由于噪声一般是随机的,因而其频谱很广。经过简略的过滤来约束带宽可以下降噪声。但缩窄带宽明显将影响数据传输速率。

  还要着重指出的是,数字体系中处理噪声的办法与模仿体系不同。S/N或C/N被用于模仿体系,但评价数字体系一般选用Eb/N0。Eb/N0是每比特能量与频谱噪声密度之比。它一般表明为Eb/N0。

  能量Eb用焦耳表明,它是信号功率(P)与位时刻t的乘积。由于数据容量或速率C(有时称为R)是t的倒数,因而Eb=P/R。N0=N(噪声功率)/B(带宽)。运用上述界说,可以看到Eb/N0与S/N的联系如下:

  在数字体系中,每比特能量可以更精确地衡量噪声。这是由于信号传输一般是在短期内进行,能量均匀散布于这段时刻。一般模仿信号是接连的。不管什么状况,Eb/N0一般在选用调制的体系的接纳器输入端确认。它是对噪声水平的一种衡量,并将影响接纳误码率(BER)。不同的调制办法有不同的Eb/N0值和相关BER

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