數(shù)字通信系統(tǒng)模型

數(shù)字通信系統(tǒng)模型如下：

各部分功能：

信源輸入：輸入原始基帶信號(hào)（可以是模擬信號(hào)）

信源編碼：采樣+量化+編碼（模數(shù)轉(zhuǎn)換+壓縮冗余）

信道編碼：保證傳輸無(wú)差錯(cuò)，可以是自帶校驗(yàn)信息的FEC碼，也可以是ARQ重傳，也可以兩者結(jié)合
交織：也是為了降低差錯(cuò)，防止傳輸中的連續(xù)差錯(cuò)導(dǎo)致FEC無(wú)法糾錯(cuò)，而將錯(cuò)誤位置隨機(jī)化

脈沖成形：數(shù)字01串轉(zhuǎn)為電路波形（升余弦滾降濾波器，波形類似sinc）

調(diào)制：模擬調(diào)制僅指基帶模擬信號(hào)的上變頻

另外，也有數(shù)字調(diào)制：包含數(shù)字到模擬+上變頻，具體就是 從基帶數(shù)字信號(hào)到基帶模擬信號(hào)（也就是上面的脈沖成形），然后再到射頻信號(hào)（也就是模擬調(diào)制），兩個(gè)步驟可以合并（直接從數(shù)字信號(hào)到射頻信號(hào)）為ASK/FSK/PSK
目前使用最廣的是PSK和QAM，QAM是幅度相位聯(lián)合調(diào)制，具體通過(guò)IQ調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)（IQ兩路傳輸復(fù)數(shù)星座點(diǎn)，可得到QAM已調(diào)信號(hào)）

天線發(fā)射 ：注意天線方向性與極化等

數(shù)字通信系統(tǒng)的三大主要功能模塊

• 對(duì)于無(wú)線模擬通信系統(tǒng)，信源的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬調(diào)制（主要就是一個(gè)“上變頻”的過(guò)程）后發(fā)射
• 對(duì)于無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)，信源模擬信號(hào)先模數(shù)轉(zhuǎn)換（即PCM的采樣+量化+編碼），并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字調(diào)制（數(shù)字序列轉(zhuǎn)化為頻帶模擬信號(hào)，即比特映射+脈沖成形+上變頻），最后發(fā)射

可見(jiàn)，我們也可以將數(shù)字通信系統(tǒng)分為三個(gè)主要模塊：

信源默認(rèn)為數(shù)字信源，但是如果是模擬信源，還需要模數(shù)轉(zhuǎn)換（包含采樣、量化、編碼，未畫(huà)出）

數(shù)字信源經(jīng)過(guò)信源編碼、信道編碼和交織處理，提高了有效性和可靠性

然后進(jìn)行數(shù)字調(diào)制（即：從數(shù)字信號(hào)到頻帶模擬波形），包括比特映射、脈沖成形、上變頻三個(gè)步驟（其中比特映射是IQ調(diào)制帶來(lái)的，上圖未畫(huà)出）

下面將依次對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換、信源信道編碼、數(shù)字調(diào)制做簡(jiǎn)介

模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換

模數(shù)轉(zhuǎn)換A / D：輸入模擬信號(hào)，輸出數(shù)字信號(hào)（實(shí)際中就是01比特串）

理論上，模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換就是：采樣（時(shí)間離散化）+量化（電平數(shù)值離散化）+編碼（用二進(jìn)制表示電平），最終得到各個(gè)采樣點(diǎn)處電平對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值

時(shí)域采樣定理

基帶信號(hào)，采樣需滿足Nyquist采樣定理$f_s<2f_H$

以$2f_H$為界，采樣分為欠采樣和過(guò)采樣，基帶信號(hào)必須過(guò)采樣，否則頻譜混疊

而頻帶信號(hào)需滿足帶通采樣定理：相對(duì)而言放低采樣率要求（欠采樣），只需滿足$$\frac{2f_H}{m}\le f_s\le \frac{2f_L}{m?1},其中1\le m\le [f_H/B],B為信號(hào)帶寬$$

沖激采樣和矩形脈沖采樣

時(shí)域相乘對(duì)應(yīng)頻域卷積，則：

• 如果用理想沖激串采樣，則頻譜就是簡(jiǎn)單的做周期搬移
• 如果用有一定寬度的周期矩形脈沖采樣（周期信號(hào)的離散頻譜如下），則原頻譜周期搬移的同時(shí)用sic函數(shù)加權(quán)
  
  實(shí)際中如何做到理想沖激采樣？
  實(shí)際不需要產(chǎn)生（也無(wú)法產(chǎn)生）無(wú)窮大的沖激函數(shù)，僅僅在采樣保持電路斷開(kāi)的前一刻采樣，保存這個(gè)采樣值，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化即可。
  由于沖激函數(shù)是已知的，我們只要知道了采樣值，在理論上就能得到 [采樣結(jié)果=采樣值 x 沖激函數(shù)]，這個(gè)關(guān)系在后續(xù)處理中考慮進(jìn)來(lái)即可，“佛在心中”，不需要具體實(shí)現(xiàn)

頻域采樣定理

根據(jù)時(shí)頻域的對(duì)偶性，我們得到頻域采樣定理

• 若$x(t)$的持續(xù)時(shí)間有限，為$t_m$；
  對(duì)頻譜$X(\omega )$進(jìn)行間隔為$\Delta f=\frac{1}{2t_m}或\Delta \omega =\frac{\pi }{t_m}$的采樣，則可以由采樣結(jié)果$X_s(\omega )$無(wú)失真的恢復(fù)原信號(hào)
• 也可以在頻域以間隔為$\Delta f=\frac{1}{2t_s}<\frac{1}{2t_m}$采樣，則對(duì)應(yīng)于時(shí)域波形以$2t_s$為周期進(jìn)行周期化
• 若信號(hào)基頻為${\omega }_0=\pi /t_m$，而$x(t)$以$2t_m$為周期延拓后的信號(hào)為$x_p(t)$
  那么，$x_p(t)$的傅里葉系數(shù)$c_n=2t_{m}X(\omega ){|}_{\omega =n{\omega }_0}$
  可見(jiàn)，只需要（直接/間接）獲得$X_s(\omega )$在各個(gè)$\omega =n{\omega }_0$處的采樣值，就能得到$c_n$，從而就能重建周期信號(hào)$x_p(t)$，并獲得原信號(hào)$x(t)$

模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換的具體實(shí)現(xiàn)

實(shí)際中，上述三個(gè)步驟由模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC直接完成：

量化：由電壓比較器比較輸入電壓$V_I$和各個(gè)等級(jí)的參考電壓，得到電壓比較器的輸出
采樣：就是在每個(gè)時(shí)鐘上升沿，用D觸發(fā)器存儲(chǔ)各個(gè)電壓比較器的輸出
編碼：根據(jù)電壓比較器的輸出狀態(tài)，使用優(yōu)先編碼器輸出當(dāng)前電平對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值（優(yōu)先編碼器：只對(duì)同時(shí)輸入的幾個(gè)信號(hào)中，優(yōu)先權(quán)最高的一個(gè)進(jìn)行編碼，也就是說(shuō)只關(guān)注輸入電壓最接近的參考電壓）

相應(yīng)的，還有數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器DAC，就是輸入二進(jìn)制01數(shù)值，輸出對(duì)應(yīng)幅值的模擬電平

注意，DAC和ADC不是對(duì)稱的：

• 前面的ADC包含了采樣量化編碼
• 而DAC僅僅是還原了“量化編碼”兩步，僅僅是得到了時(shí)間上離散的電平；
  若需要還原模擬波形，還要通過(guò)后續(xù)的理想低通濾波器進(jìn)行內(nèi)插重建

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的通信原理学习笔记3-1：数字通信系统概述（模数转换、时频域采样定理）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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