带你读《无线数字通信:信号处理的视角》之二:数字通信概述
点击查看第一章 第2章 数字通信概述 2.1 数字通信简介 通信是发射机将信息经信道送达接收机的过程。发射机生成的信号含有待发信息,在传播至接收机的过程中,信号会在信道环节遭受各种类型的失真。最后,接收机观察失真信号,并尝试恢复其中蕴含的信息。接收机对于发送信号的或者信道引入失真的边信息(side information)掌握得越多,越有利于恢复未知信息。有两种重要的通信类别:模拟通信和数字通信。在模拟通信中,信源是连续时间信号,诸如对应于人类谈话的电压信号;而在数字通信中,信源是数字序列,通常是由0、1组合而成的二进制序列。数字序列可由模数转换器对连续时间信号进行采样后获得,也可由微处理器直接生成。尽管信息类型存在差异,模拟和数字通信系统都发送连续时间信号。模拟和数字通信广泛应用于商用无线系统,只不过,数字通信正在几乎每个新应用中不断地取代模拟通信。数字通信之所以成为事实上的主要通信类别,原因有很多。其中一个就是,它非常适合传输那些在计算机、手机和平板中随处可见的数据。不仅如此,较之模拟系统,数字通信系统可以提供更好的通信质量、更高的安全等级、更强的抗噪性能、更低的功耗,且易于整合诸如语音、文本、视频等不同类型的信源。数字通信系统的主要部件皆由数字集成电路实现,基于摩尔定律,数字通信设备无论在成本上还是体积上都占尽优势。事实上,可能除了本地交换机到家庭的连接部分,公共交换电话网(Public Switched Telephone Network,PSTN)的主体部分都是数字的。尽管大部分数字通信系统依然使用专用集成电路(Application-Specic Integrated Circuit, ASIC)和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)来完成主要处理工作,软件无线电的概念却使得数字通信系统易于重新配置。本章简要介绍单一无线数字通信链路的主要构成,以期全面展示典型无线通信链路中的关键操作。首先,在2.2节中回顾经典的发射机和接收机系统框图。随后各节则会给出每个部件的输入、输出以及功能的详细介绍。2.3节介绍发送的信号遭受的各种损伤,包括噪声和码间干扰。随后,2.4节会涉及信源编码和译码的原理,包括无损和有损压缩。2.5节复习加密和解密,包括密钥和公钥加密。紧接着,在2.6节中介绍差错控制编码的主要思想,包括对分组码和卷积码的简要介绍。最后,2.7节概述调制和解调等概念。而本书的剩余部分主要集中在调制、解调以及应对信道造成的各种损伤等方面。 2.2 单一无线数字通信链路概述 本书着重讨论点到点无线数字通信链路,如图2.1所示。链路可分为三部分:发射机、信道和接收机。每个部分由数个功能模块组成。发射机对物理媒介上传输的数据比特流进行处理。信道代表物理媒介,噪声在此处叠加于所发送信号之上,引发信号失真。接收机尝试在接收到的信号中提取发送比特流。注意,发射机、传播信道和接收机并非严格按照上述内容划分物理界限。例如,在对信道进行数学建模时,还需要把所有模拟和前端效应包含在内,因为这也是发送信号所受失真的一部分。本节剩余部分依次总结每个模块的操作。 下面按照信息流从信源到信宿的流向依次详细介绍图2.1中的各个部件。第一个发射机模块进行信源编码(source encoding)。信源编码的目的是,在确保依然能够从编码后的比特序列中恢复信源输出的同时,将信源序列转换成比特率尽可能低的信息序列。为了便于解释,设某数字信源生成二进制序列{b[n]}=…,b[-1],b[0],b[1],…。数字信源可由模拟信源采样得到。信源编码器的输出为信息序列{i[n]}。从本质上讲,信源编码将信源尽可能地压缩,以减少需要发送的比特数量。信源编码之后是加密(encryption)。加密的目的是搅乱数据,以增加非预期的第三方接收者获取数据的难度。加密通常是将信息序列{i[n]}进行无损转换,生成加密序列e[n]=p({i[n]})。不同于信源编码,加密不会压缩数据,而是使数据对于非预期的第三方接收者而言显得杂乱不堪。接下来的模块就是信道编码(channel coding)。信道编码也称为差错控制编码(error control […]