数字信号无线传输技术

数字信号无线传输技术 摘要：数字信号已进入了现代社会的各个领域，同模拟信号传输相比，数字信号传输有很大的变化。本 文简要阐述了数字信号无线传输特性，以及无线信道对信号的影响，提出了信号改善途径。 关键词：数字信号；信道；无线传输 中图分类号：TN 文献标识码： A 0 引言 在信号传输中，不同的数据必须转换为相应的信号。模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，数 字数据则采用数字信号(Digital Signal)。模拟信号的瞬时值的状态数是无限的，如低频正弦信号、语音信 号、图像信号等；而数字信号的瞬时值的状态数是有限的，如计算机和电报机的输出信号等。 模拟信号在传输过程中，由于噪声的干扰和能量的损失总会发生畸变和衰减，所以模拟传输时，每 隔一定的距离就要通过放大器来放大信号的强度。然而放大信号强度的同时，由噪声引起的信号失真也 随之放大。当传输距离增大时，多级放大器的串联会引起失真的叠加，从而使信号的失真越来越大。而 数字传输，只有代表了 0 和 1 变化模式的数据，方波脉冲式的数字信号在传输过程中除了会衰减外，也 会发生失真，但它是采用转发器来代替放大器。转发器可以通过阈值判别等手段，识别并恢复其原来的 0 和 1 变化的模式，并重新产生一个新的完全消除了衰减和畸变的信号传输出去，这样多级的转发不会累 积噪声引起的失真。 1 数字信号无线传输的特性 信道是信号的传输媒质，按传输媒质的不同，信道可分为有线信道和无线信道，其中无线信道随机 性较大，变化快，主要有长波信道、中波信道、短波信道、地面微波信道、卫星信道、散射信道、红外 信道及空间激光信道等。现代移动通信系统都使用数字调制技术，随着超大规模集成(VLSI)技术和数字信 号处理(DSP) 技术的发展，数字传输系统比模拟传输系统更有效。数字传输有许多优点： （1）数字信号本身具有更好的抗噪能力和更强的抗信道损耗性能。采用再生中继、纠错编码等差错 控制措施后，数字信号可以再生而消除噪声的累积，甚至可在噪声远大于有用信号的情况下，保证获得 可接受的保真度和误码率。 （2）传输差错可以控制。通过不同的信道编码，可以得到不同的编码增益，从而根据通信质量的要 求采用不同的编码方式，从而改善整个通信系统的传输质量。 （3）业务种类多。数字通信可以更容易复用各种不同形式的信息(如语音、数据和视频图像等) ，从 而使得通信系统传输功能增强; 同时，数字信号也容易压缩。 （4）数字硬件实现灵活，便于采用大规模集成电路、数字信号处理、计算机软件技术和微处理器技 术，不断推进通信系统和网络的变革。在复杂的传输条件下便于使用现代数字信号处理技术对所传输的 数字信息进行处理(如信源编码和为提高整个通信链路性能的均衡技术) ，嵌入式软件实现的信号处理技术 可以在不重新设计硬件或替换硬件的情况下改变和提高通信设备性能。 （5）数字传输有更高的保密性。数字信号易于在信源对其进行加密处理，且加密强度高，从而使得 信息的传输有较高的安全性。 另外，数字信号传输系统便于与计算机相连，实现系统和网络智能化。系统和网络便于规划和优化， 便于实现集中监控、维护和管理; 同时系统升级扩容方便，便于保护运营商的投资。 数字信号传输系统也有自身的缺点，主要归纳为以下两点： （1）在相同的容量下，数字传输所需要的带宽比模拟传输时宽。 （2）数字通信系统需要复杂的同步系统。 2 数字信号的传输 在发送端，模拟信号经过抽样、量化、编码变为数字信号，再经过码形变换等过程送到信道上。到 了接收端，首先进行码型反变换，再由接收设备把数字信号还原为模拟信号。 频带传输： 频带传输是在计算机网络系统的远程通信中，通常采用的一种传输技术。是一种利用调制器对传输 信号进行频率交换的传输方式，信号调制的目的是为了更好的适应信号传输通道的频率特性，传输信号 经过调制处理也能克服基带传输同频带过宽的缺点，提高线路的利用率，一举两得。但是调制后的信号 在接收端要解调还原，所以传输的收发端需要专门的信号频率变换设备，传输设备费用相应增加远距离 通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟 信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。 频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信 号（称为频带信号） ，再将这种频带信号在模拟信道中传输。 计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。 基带信号与频带信号的转换时由调制解调技术完成的。 数字信号的频带传输系统主要包含三类：光纤数字传输系统、数字微波传输系统和数字卫星传输系 统。 2.1 光纤数字传输系统 光纤数字传输系统的方框图，如图 1 所示。 图 1 光纤数字传输系统 它由电端机、光端机、光中继机、光纤线路和光活动连接器等组成。 电端机：为光端机提供各种标准速率等级的数字信号源和接口。 光端机：把电端机送来的数字信号进行适当处理后变成光脉冲送入光纤线路进行传输，接收端则完 成相反的变换。 光中继机：将光纤长距离传输后受到较大衰减及色散畸变的光脉冲信号转换成电信号后进行放大整 形、再定时、再生成规划的电脉冲信号，再调制光源变换成光脉冲信号进入光纤继续传输，以延长传输 基 群 高 次 群 光 端 机 光中 继机 光 端 机 高 次 群 基 群 距离。 光纤线路：系统中信号的传输媒介是光纤。 2.2 数字微波传输系统 数字传微波输系统的方框图，如图 2 所示。 数字微波传输系统主要传输三次群、四次群，可用于长途通信和地形复杂地区的短距离通信。这里 有两点需要说明： A. 由电端机（数字设备）输出的高次群在微波信道机中（接口电路）先要进行码型变换转换成 NRZ 码，然后扰码，再进行调制。 B. 调制时分两步进行的，第一步先利用频率为 70MHz 的中频载波进行调制，然后再利用射频载 波（频率为几千 MHz）将其调到微波射频上。 图 2 数字传微波输系统的方框图 3 无线信道对信号传输的影响 一个通过无线信道传播的信号往往会沿着一些不同的路径到达接收端，接收机接收到的信号是多条 路径传输信号的叠加，即信号传输具有多径特性。引起多径传输的主要原因有: 电磁波经电离层的一次 或多次反射; 几个反射区的高度不同; 地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波; 电离层不 均匀性引起的漫射现象; 散射体内的不均匀气团产生的二次辐射; 地面条件复杂。 无线信号无论是在前向连接，还是在反向连接的传输中，都会以多种方式受到物理信道的影响。虽 然电磁波传播的形式很复杂，但一般可归结为反射、绕射和散射三种基本传播方式。无线信道是一种时 变信道，信号通过无线信道传输时会受到各个方面的衰减损失，在陆地移动通信系统中，由于多径传输 引起的接收信号幅度衰落深度最大可达 2030dB，衰落速度为每秒几次到几十次。接收端接收信号功率 可表示为： )(|)(dRSdPn 式中，d 表示距离向量。该式表明信号无线传输受到信道的影响可归结为三类： （1）自由空间的路径损失（也称传输损失） 。这是接收端与基站之间距离的函数，描述的是n| 大尺度区间（数百或数千米）内接收信号强度随发射到接收距离而变化的特性。 （2）阴影衰落 S（d） 。又称大尺度哀落或慢衰落或长期衰落。它描述中等尺度区间（数百波长）内 信号电平中值的慢变化特性，按对数正态分布，是由于传输环境中的地形起伏、建筑物和其它障碍物对 电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落。 （3）多径衰落 R（d） 。小尺度范围的多径衰落 R（d） ，又称短期衰落，是由移动用户附近的多径散 射产生的。它描述小尺度区间（数个或数十波长）内接收信号场强的瞬时值的快速变化特性。衰落是由 阴影和多径效应造成信号电平的扰动。其中慢衰落是由建筑物或自然界特征的阻塞效应引起的，表征的 是快衰落信号包络的局部中值随时间的变化情况，慢衰落近似服从对数正态分布; 而快衰落是由正在运动 中的移动用户附近的障碍物对信号的散射引起的，表征的是接收信号在空间的迅速扰动情况，其中典型 的就是 Rayleigh 衰落。根据多径信号的多普勒扩展、时延扩展和角度扩展与发射信号参数(带宽、码元间 隔等) 间的关系产生有不同的选择性衰落（时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落） 。无线传 输除有上述典型的衰落以外，还有码间干扰、同信道干扰、邻信道干扰以及远近效应存在。由此可见， 无线传输所受到的不确定因素的影响众多，要在这样的时变信道中应用现代高速传输技术需要克服诸多 困难。 4 无线传输信道特性的改善 无线信道多径传输，每条路径的传输损耗和时延都是随机变化的，使得接收端信号时强时弱，无法 正确传输信息。因此，为了在无线信道中传输数字信号，必须具备以下三个基本条件： （1）无线信道的频率响应要好。除根据码速的高低决定高端的频率响应以外，更重要的是低端的频 率响应。必须下到 5 Hz 以下，低端的频率响应好坏直接影响传输的质量。 （2）无线信道传输信号产生的非线性失真指标要好。非线性失真的大小也直接影响传输的质量。与 传输模拟信号一样，无线信道传输数字信号也要求产生的失真愈小愈好。如果产生了较大的畸变，数字 信道是不能正常工作的。 （3）无线信道传输的群信号群延迟特性必须良好，否则将使得收端时钟信号相位抖动过大而无法提 取时钟信号，而最终无法正常传输。同时，还必须对信道的衰落特性进行改善。常用的方法有： A 含交织编码的差错控制技术。交织技术将成片的突发误码分散成零散的随机误码，再用纠正随机 错误的差错控制技术纠正这些随机误码，从而提高可靠性。 B 抗衰落性能好的调制解调技术。正交频分复用调制信号具有多外正交载波，且每个载波对应的数 字基带信号速率比较低，已调信号带宽小，是一种较理想的抗衰落调制 信号。 C 功率控制技术。功率控制技术可以对衰落信号进行补偿，使接收信号功率保持稳定。 D 扩频技术。主要包括跳频和直接序列扩频，能有效地克服多径传输引起的快衰落现象。 E 分集接收技术。即用互相独立的多外信号传输同一信息，在接收端分别接收再进行合并处理，由 于接收到的信号不可能同时被衰落，所以可正确地传输信息。 5 结束语 70 年代，由于大规模集成电路和数字信号处理技术的发展，给数字通信实用化创造了有利的条件， 在一定信道条件下有效和可靠地传送信息已能在数字通信系统上实现。80 年代以来，国际上工业先进国 家开始了从模拟通信转向数字通信的过渡时期。我国自 80 年代后期也进入到这种过渡时期。但目前为止， 全球通信的数字化还远未实现，这不仅反映在所谓的“最后 1 千米”的用户线路上，而且有的重要的通 信网络