数字通信技术



有一些技术为数字通信过程奠定了基础。为了将信号数字化,我们有采样和量化技术。

为了用数学方法表示它们,我们有线性预测编码 (LPC) 和数字多路复用技术。这些数字调制技术将在后面进一步讨论。

线性预测编码

线性预测编码 (LPC) 是一种使用线性预测模型表示数字语音信号的工具。它主要用于音频信号处理、语音合成、语音识别等。

线性预测基于这样一个思想:当前样本是过去样本的线性组合。分析将离散时间信号的值估计为先前样本的线性函数。

频谱包络使用线性预测模型的信息以压缩形式表示。这可以用数学表示为:

$s(n) = \displaystyle\sum\limits_{k = 1}^p \alpha_k s(n - k)$ 对于某个值 pαk

其中

  • s(n) 是当前语音样本

  • k 是特定样本

  • p 是最近的值

  • αk 是预测系数

  • s(n - k) 是之前的语音样本

对于 LPC,通过最小化实际语音样本与线性预测样本之间平方差之和(在一个有限区间内)来确定预测系数的值。

这是一种非常有用的低比特率语音编码方法。LPC 方法与快速傅里叶变换 (FFT) 方法非常接近。

多路复用

多路复用是通过共享介质将多个信号组合成一个信号的过程。如果这些信号本质上是模拟信号,则该过程称为模拟多路复用。如果对数字信号进行多路复用,则称为数字多路复用

多路复用技术最初是在电话中开发的。许多信号被组合起来通过一根电缆发送。多路复用过程将通信信道划分为多个逻辑信道,为每个逻辑信道分配不同的消息信号或要传输的数据流。执行多路复用的设备可以称为MUX。相反的过程,即从一个信号中提取多个信道(在接收端进行),称为解多路复用。执行解多路复用的设备称为DEMUX

下图显示了 MUX 和 DEMUX。它们主要用于通信领域。

Multiplexing

多路复用器的类型

多路复用器主要有两种类型:模拟和数字。它们进一步细分为FDM、WDM和TDM。下图详细说明了这种分类。

Multiplexers Types

实际上,多路复用技术有很多种。在所有这些技术中,我们有上面图中提到的主要类型及其一般分类。

模拟多路复用

模拟多路复用技术涉及本质上是模拟的信号。模拟信号根据其频率 (FDM) 或波长 (WDM) 进行多路复用。

频分多路复用 (FDM)

在模拟多路复用中,最常用的技术是频分多路复用 (FDM)。此技术使用不同的频率组合数据流,并将它们作为单个信号发送到通信介质。

示例 - 通过单根电缆发送多个频道的传统电视发射机使用 FDM。

波分复用 (WDM)

波分复用是一种模拟技术,其中许多不同波长的数据流在光谱中传输。如果波长增加,信号频率降低。可以在 MUX 的输出和 DEMUX 的输入处使用棱镜,它可以将不同的波长转换为单一线。

示例 - 光纤通信使用 WDM 技术将不同波长的光合并成单束光进行通信。

数字多路复用

术语“数字”表示离散的信息位。因此,可用数据以帧或数据包的形式存在,这些帧或数据包是离散的。

时分多路复用 (TDM)

在 TDM 中,时间帧被划分为时隙。此技术用于通过分配每个消息一个时隙,在一个通信信道上传输信号。

在所有类型的 TDM 中,主要类型是同步 TDM 和异步 TDM。

同步 TDM

在同步 TDM 中,输入连接到一个帧。如果有 'n' 个连接,则帧被分成 'n' 个时隙。每个输入线路分配一个时隙。

在此技术中,所有信号的采样率相同,因此给出相同的时钟输入。MUX 始终为每个设备分配相同的时隙。

异步 TDM

在异步 TDM 中,每个信号的采样率不同,不需要公共时钟。如果分配给时隙的设备不传输任何内容并处于空闲状态,则与同步 TDM 不同,该时隙将分配给另一个设备。这种类型的 TDM 用于异步传输模式网络。

再生中继器

为了使任何通信系统可靠,它应该有效地传输和接收信号,而不会有任何损失。PCM 波在通过信道传输后,由于信道引入的噪声而发生失真。

再生脉冲与原始脉冲和接收脉冲的比较,如下图所示。

Regenerative Pulse

为了更好地再现信号,在接收器之前的路径中采用了一种称为再生中继器的电路。这有助于恢复因损失而产生的信号。以下是示意图。

Regenerative Repeater

它由均衡器、放大器、定时电路和决策设备组成。每个组件的工作原理如下所述。

均衡器

信道会对信号产生幅度和相位失真。这是由于信道的传输特性造成的。均衡器电路通过整形接收到的脉冲来补偿这些损失。

定时电路

为了获得高质量的输出,应该在信噪比 (SNR) 最大的地方对脉冲进行采样。为了实现这种完美的采样,必须从接收到的脉冲中导出一个周期性脉冲序列,这由定时电路完成。

因此,定时电路通过接收到的脉冲,分配高信噪比下的采样时间间隔。

决策设备

定时电路确定采样时间。决策设备在这些采样时间被启用。决策设备根据量化脉冲和噪声的幅度是否超过预定值来决定其输出。

这些是数字通信中使用的一些技术。还有其他重要的技术需要学习,称为数据编码技术。在查看线路码之后,让我们在后续章节中学习它们。

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