11.4 数字信号处理的速成课程

到现在为止,你应该对gqrx程序中遇到的“快速傅里叶变换”(FFT)和瀑布的特点开始适应了吧。在“频域”(frequency domain)的范围内分析数据的传输,对用户来说,通常会有一个相当直观的形式化印象,这无论对于信号定位、识别、两信号间比较都是一样。然而,这也只是图表中所表达的内容中的一半内容,另一半对信号的分析,则是通过“时域”(time domain)实现的。在这一节中,我们来讨论一下数字无线通信的内部工作机制。

11.4.1 最基础的通信

想象一下,在我们十岁的时候,我们需要通过我们的“树上堡垒”(tree fort)之间传送秘密的信息,两个“树上堡垒”之间有一定的距离(如图11-10所示)。所以我就抓住我妈妈的花园浇花软管,在软管的一头套上一个气球,然后你就你那边的“树上堡垒”中对着软管吹气,你所吹的气通过软管到达我这边,就把气球吹大了。

图11-10 通过“树上堡垒”通信

通过软管吹气球,我可以向你发送一个消息;如果在预定吹的时候,我没有吹,那么一个瘪的气球也同样表示我向你发送了一个消息,只是这两个消息表示的意思不一样。比如不吹气球表示“送我条金枪鱼;我的老虎饿了”;那么,吹气球则可以表示为相反的意思。当然,既然这么做可以发送多于一个消息了,所以我们很快就发明了二进制,并且通过上面的方式,约定了每五秒我们之间至少会做一个“吹”与“不吹”的动作,这里的“吹”与“不吹”的动作其实就是二进制传输中“位”(bit)的概念。

很显然,这个方法很快就遇到了一些问题。我们都有了难以说出的节奏感(sense of rhythm),因为有时我需要超过五秒或者更长的时间才能发送一个“位”。这会对接收方带来困扰,对方是发了连接的两个“0”?还是只有一个“0”?或者,在无意识中,你接收的时间起始点,正好是发送方发送过程中的某个点。这都会导致“发送方的发送没有出错,接收方的接收也没有出错,但接收方接收的信息不是发送方发送的信息”的现象。为了解决这个问题,我们发明了一种数据包结构,即在数据中增加一个“校验和”(checksum)。这样,发送方在发送前,先对要发送的数据通过一定的算法算出一个“校验和”,然后在发送的时候,除了发送数据之外,额外加上这个“校验和”。接收方将数据与“校验和”一起接收后,通过同样的方法对数据进行计算,然后将自己算出的“校验和”和接收到的“校验和”进行比较,如果二者一样,则表示数据是对的,不一样则表示或者接收到的“数据”是错的,或者接收到的“校验和”是错的,总之,接收到的数据是错的。这样,我们至少可以确保得到消息的正确性(包括正确和错误两种可能)。挺复杂的,不是吗?

如果你用过像Arduinog一样的微控制器,你会知道这是怎样的数字通信工程。上面例子中的软管代表的是信号传输线 (或电路板上的走线),吹到气球中的压力代表电压。显然,上面吹气球的这个“系统”具有一定的物理局限性,因为我们只能在一个方向上进行通信(就是吹气),除非我们再拉第二条等长的软管,在另一端套上气球由这边来吹,或者事先约定好,在软管的两端都可以套上气球,并定时切换由谁来吹。同时,如果软管的长度太长,那么要吹大一个气球,将耗费的能量太多了。

11.4.2 最基础的无线通信

同样在上面的例子中,我们在发送1和0的过程中,随时有可能会有数据丢失现象。显然,我不能在发送0的时候,把周围所有的大气都吸净,而生成一个真空的环境。同样,我们可以像动画片“Cap’n Crunch”一样,只要吹响哨子(whistle),就可以搅动周围的空气压力以便让你的耳朵可以听到,这样做的好处是双向通信也容易了,但是代价就是附近的所有人都可以接收到我们之间通信的信息。

当然,就像我们必须与我们的父母和邻居共享相同的空间一样,在爸爸正在修剪草坪的时候跟他沟通是相当困难的。街道对面的那个恼人的孩子在偷走了我们“Cap’n Crunch”哨子,然后再与我们进行沟通的念头,不用说也是行不通的。要想让我们所做的事变得更容易,我们只有把我们的哨子换成长笛,因为长笛有许多个音洞,多种发音的音调,这样,当我们遇到一种干扰源的时候,我们可以“移动”到另一个远离干扰源的通信方式上。

这种原始的例子正在一点一点地接近无线通信工程。大致的意思就是:我一次发送一个“广场”的1,虽然简单,但是也难免出错;但是如果能在传输的过程中,发送一个需要改变的“通知”,然后临时地改变频谱却是件很容易的事。通过下面的一个例子,我们看看能不能理解“邮局代码标准化顾问组”协议的工作原理。

11.4.3 在“时域”和“频域”上的POCSAG信号

“邮局代码标准化顾问组”(POCSAG)协议是一个无线通信协议。这个协议的数据传送机制是,从开始时首先拿到一段文本信息,然后将这段文本信息保存在一个有几千字节容量的内存芯片中,再根据数

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