通信技术授课讲义.ppt

1 通信原理 第4章数字基带传输 4 5 4 8 2 接收滤波器的传输特性 发送滤波器的传输特性 回顾 理想信道下最佳基带传输系统 匹配滤波器 3 4 5最佳基带传输系统 错误概率 输出噪声 的一维概率密度函数为 4 4 5最佳基带传输系统 误码率与e n0关系表达式 5 4 5最佳基带传输系统 当l 2时 当误码率较低时 为保持误码率不变 l值增大到2倍 信噪比大约需要增大7db 增加码元进制数 可以在同样的频带内提高信息速率 是以提高发送功率为代价的 6 4 5最佳基带传输系统 4 5 2非理想信道的最佳基带传输系统最佳传输条件接收滤波器接收的信号码元频谱等于gt f c f 为使此匹配滤波器的传输函数gr f 和接收信号码元的频谱匹配 要求 7 4 5最佳基带传输系统 此总传输特性h f 能使其对于高斯白噪声的信噪比最大 但是还没有满足消除码间串扰的条件 为了消除码间串扰 h f 满足 基带传输系统的总传输特性为 8 4 5最佳基带传输系统 可以在接收端增加一个横向均衡滤波器t f 使系统总传输特性满足上式要求 对t f 的要求 9 4 5最佳基带传输系统 非理想信道的最佳基带传输系统方框图 均衡器去除码间干扰 10 问题引入 在实际应用中如何用简便的实验手段来定性评价信号的质量 11 第4章数字基带传输 4 1数字基带信号的码型4 2数字基带信号的频谱分析4 3无码间干扰的基带传输系统4 4部分响应基带传输系统4 5最佳基带传输系统4 6眼图4 7均衡4 8数据序列的扰码与解扰 主要内容 12 4 6眼图 随机二元序列 观察点 13 4 6眼图 眼图实例 14 4 6眼图 眼图模型 最佳抽样时刻是 眼睛 张开最大的时刻 定时误差灵敏度是眼图斜边的斜率 斜率越大 对位定时误差越敏感 15 4 6眼图 图中央的横轴位置对应于判决门限电平 抽样时刻上 上下两阴影区的间隔距离之半为噪声容限 若噪声瞬时值超过它就可能发生错判 16 4 6眼图 图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波形零点位置的变化范围 即过零点失真 它对于利用信号零交点的位置来提取定时信息的接收系统有很大影响 17 4 6眼图 眼图照片 18 第4章数字基带传输 4 1数字基带信号的码型4 2数字基带信号的频谱分析4 3无码间干扰的基带传输系统4 4部分响应基带传输系统4 5最佳基带传输系统4 6眼图4 7均衡4 8数据序列的扰码与解扰 主要内容 19 4 7均衡 4 7 1均衡假设 信道特性c 已知问题 实际实现时 由于难免存在滤波器的设计误差和信道特性的变化 所以无法实现理想的传输特性 因而导致系统性能的下降 解决方法 在接收滤波器和抽样判决器间插入一种可调 或不可调 滤波器来校正或补偿系统特性 这种起补偿作用的滤波器称为均衡器 20 4 7均衡 作用 校正或补偿系统特性 减小码间串扰的影响 21 4 7均衡 均衡器的种类 频域均衡器 是从校正系统的频率特性出发 利用一个可调滤波器的频率特性去补偿信道或系统的频率特性 使包括可调滤波器在内的基带系统的总传输特性接近无失真传输条件 时域均衡器 直接校正已失真的响应波形 使包括可调滤波器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件 22 4 7均衡 时域均衡原理 调整各抽头的增益ci 使下式成立 23 4 7均衡 例 设有一个三抽头的横向滤波器 其c 1 1 4 c0 1 c 1 1 2 均衡器输入x t 在各抽样点上的取值分别为 x 1 1 4 x0 1 x 1 1 2 其余都为零 试求均衡器输出y t 在各抽样点上的值 解 24 4 7均衡 同理可求得y 2 1 16 y 2 1 4 其余均为0 25 4 7均衡 4 7 2均衡准则通常采用峰值失真准则和均方失真准则 峰值失真定义 物理意义 所有抽样时刻的码间串扰绝对值之和与t 0时刻的抽样值之比 即峰值码间干扰与有用信号的样值之比 问题 如何调整抽头系数以获得最佳的均衡效果 26 4 7均衡 均方失真定义 最小峰值失真准则工作原理 迫零均衡 未均衡前的输入峰值失真 称为初始失真 27 4 7均衡 问题 d是ci的函数 如何使d最小 28 4 7均衡 lucky曾证明 如果初始失真d0 1 则d的最小值必然发生在y0前后的yk都等于零的情况下 定理的数学意义是 所求的系数 ci 应该是下式成立时的2n 1个联立方程的解 这2n 1个线性方程为 29 4 7均衡 写成矩阵形式物理意义 在输入序列 xk 给定时 如果按上式方程组调整或设计各抽头系数ci 可迫使均衡器输出的各抽样值yk为零 这种调整叫做 迫零 调整 所设计的均衡器称为 迫零 均衡器 30 4 7均衡 例 设计一个具有3个抽头的迫零均衡器 以减小码间串扰 已知x 2 0 x 1 0 1 x0 1 x1 0 2 x2 0 1 求3个抽头的系数 并计算均衡前后的峰值失真 解 2n 1 3 c 1 0 09606 c0 0 9606 c1 0 201 31 4 7均衡 输入峰值失真 d0 0 4 输出峰值失真 d 0 0869 均衡后的峰值失真减小4 6倍 结论 抽头有限时 总不能完全消除码间串扰 但适当增加抽头数可以将码间串扰减小到相当小的程度 y 1 0 y0 1 y1 0 y 3 0 y 2 0 0096 y2 0 0557 y3 0 02016 32 4 7均衡 均衡器的实现与调整 均衡器 手动均衡器 自动均衡器 预置式均衡器 自适应均衡器 在实际数据传输之前 发送一种预先规定的测试脉冲序列 按照 迫零 调整原理 根据测试脉冲得到的样值序列 xk 自动或手动调整各抽头系数 直至误差小于某一允许范围 调整好后 再传送数据 在数据传输过程中不再调整 自适应均衡可在数据传输过程根据某种算法不断调整抽头系数 因而能适应信道的随机变化 33 第4章数字基带传输 4 1数字基带信号的码型4 2数字基带信号的频谱分析4 3无码间干扰的基带传输系统4 4部分响应基带传输系统4 5最佳基带传输系统4 6眼图4 7均衡4 8数据序列的扰码与解扰 主要内容 34 4 8数字序列的扰码与解扰 对二进制信息先做 随机化 处理 变为伪随机序列 也能限制0码或1码的长度 这种随机化处理称为 扰码 扰码按照一定的规律扰乱原有的二进制信息形式 使信息呈现 伪随机 的特征 接收端通过 解扰 恢复原有的数字序列 问题 如何解决信源序列的非随机性问题并限制连 0 的长度 35 4 8数字序列的扰码与解扰 扰码的作用 1 改善位定时同步的质量 保证稳定的定时提取 2 改善帧同步和自适应均衡器的性能 改善信号的随机性 3 避免交互调制的影响 避免信号中存在的单音信号与调制信号或载波之间的交互调制 减少对邻路信号的干扰 36 4 8数字序列的扰码与解扰 扰码原理 扰码原理是以线性反馈移位寄存器为基础的 将输入二进制数字序列逐位与一个最长线性移位寄存器序列产生器的反馈数字模2相加 输入数字就被扰乱 37 4 8数字序列的扰码与解扰 线性反馈移位寄存器 其中ci的取值为1或0 i 1 2 m 38 4 8数字序列的扰码与解扰 扰码是将传输的码变成 0 和 1 概率分布近似相等 且前后相互独立的随机码 若m 4 c1 0 c2 0 c3 1 c4 1 39 ak 10101010101010 lk 3 lk 4 lk 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 4 8数字序列的扰码与解扰 40 解扰器 加扰 解扰 4 8数字序列的扰码与解扰 41 加扰 解扰 ak lk 3 lk 4 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 4 8数字序列的扰码与解扰 解扰器 42 本次课小结 眼图的概念 均衡的概念 时域均衡原理 加扰和解扰的概念 43 本章小结 根据实际信号的频谱特性 常常把信号分为基带信号和频带信号 如果在数字通信系统中信号的传递过程始终保持信号频谱在零频率附近 该通信系统常被称为数字信号的基带传输系统 围绕提高数字基带传输系统传输信息的有效性和可靠性展开讨论 44 本章小结 通过学习奈奎斯特第一准则 认识到通信系统的有效性不可能无限提高 即 在信道带宽受限和无码间串扰的条件下 可传送的最高码元速率数值上等于信道带宽的两倍 通过对数字基带传输系统性能 误码率 的分析 认识到噪声是影响通信系统可靠性的重要因素 45 本章小结 在和实际结合方面 本章通过在码元速率等于信道带宽两倍和无码间串扰两个条件下信号设计问题的讨论 说明了奈奎斯特第一准则的不可实现性 通过运用部分响应技术设计信号将大大提高系统的可实现性 本章强调指出 在实际中要做到信号传输完全无码间串扰是不可能的 在接收端采用时域