数字基带传输系统.

5.4基带脉冲传输与码间串扰本节将定量分析基带脉冲传输过程，分析模型如图5-8所示。图中，{an}为发送滤波器的输入符号序列，在二进制的情况下,an取值为0、1或-1、+1。为了分析方便，假设{an}对应的基带信号d(t)是间隔为Ts，强度由an决定的单位冲击序列，d(t)=anδ(t-nTs)(5.4-1)此信号激励发送滤波器(即信道信号形成器)时，发送滤波器的输出信号为n图5-8机带传输系统模型GT()C()GR()抽样判决器接收滤波器传输信道发送滤波器{an}n(t){an}′＋s(t)=d(t)*gT(t)=angT(t-nTs)(5.4-2)式中，“*”是卷积符号；gT(t)是单个δ作用下形成的发送基本波形，即发送滤波器的冲激响应。若发送滤波器的传输特性为GT(ω)，则gT(t)由下式确定gT(t)=(5.4-3)若再设信道的传输特性为C(ω)，接收滤波器的传输特性为GR(ω)，则图5-8所示的基带传输系统的总传输特性为H(ω)=GT(ω)C(ω)GR(ω)dwewGjwtT)(21n其单位冲激响应为h(t)=()()nSRnahtnTntdwewHjwt)(21h(t)是单个δ作用下，H(ω)形成的输出波形。因此在δ序列d(t)作用下,接收滤波器输出信号y(t)可表示为r(t)=d(t)*h(t)+nR(t)=式中，nR(t)是加性噪声n(t)经过接收滤波器后输出的噪声。抽样判决器对y(t)进行抽样判决，以确定所传输的数字信息序列{an}。例如我们要对第k个码元ak进行判决，应在t=kTs+t0时刻上（t0是信道和接收滤波器所造成的延迟）对r(t)抽样，由式（5.4-6）得r(kTs+t0)=akh(t0)+anh［(k-n)Ts+t0］+nR(kTs+t0)(5.4-7)式中，第一项akh(t0)是第k个码元波形的抽样值，它是确定ak的依据。第二项anh［(k-n)Ts+t0］是除第k个码元以外的其他码元波形在第k个抽样时刻上的总和，它对当前码元ak的判决起着干扰的作用，所以称为码间串扰值。由于an是以概率出现的，故码间串扰值通常是一个随机变量。第三项nR(kTs+t0)是输出噪声在抽样瞬间的值，它是一种随机干扰，也要影响对第k个码元的正确判决。knkn由于码间串扰和随机噪声的存在，当r(kTs+t0)加到判决电路时，对ak取值的判决可能判对也可能判错。例如，在二进制数字通信时，ak的可能取值为“0”或“1”，判决电路的判决门限为V0，且判决规则为当r(kTs+t0)＞V0时，判ak为“1”当y(kTs+t0)＜V0时，判ak为“0”显然，只有当码间串扰值和噪声足够小时，才能基本保证上述判决的正确，否则，有可能发生错判,造成误码。因此，为了使误码率尽可能的小，必须最大限度的减小码间串扰和随机噪声的影响。这也正是研究基带脉冲传输的基本出发点。5.5无码间串扰的基带传输特性由式（5.4-7）可知，若想消除码间串扰，anh［(k-n)Ts+t0］=0由于an是随机的，要想通过各项相互抵消使码间串扰为0是不行的，这就需要对h(t)的波形提出要求，如果相邻码元的前一个码元的波形到达后一个码元抽样判决时刻时已经衰减到0，如图5-9(a)所示的波形，就能满足要求。但这样的波形不易实现，因为实际中的h(t)波形有很长的“拖尾”，也正是由于每个码元“拖尾”造成对相邻码元的串扰，但只要让它在t0+Ts，t0+2Ts等后面码元抽样判决时刻上正好为0，就能消除码间串扰，如图5-9(b)所示。这也是消除码间串扰的基本思想。kn图5–9消除码间串扰原理h(t)Ot0t0＋Tst(a)h(t)Ot0t0＋Tstt0＋2Ts(b)由h(t)与H(ω)的关系可知，如何形成合适的h(t)波形，实际是如何设计H(ω)特性的问题。下面，我们在不考虑噪声时，研究如何设计基带传输特性H(ω)，以形成在抽样时刻上无码间串扰的冲激响应波形h(t)。根据上面的分析，在假设信道和接收滤波器所造成的延迟t0=0时，无码间串扰的基带系统冲激响应应满足下式:h(kTs)=1,k=00,k为其他整数式（5.5-1）说明，无码间串扰的基带系统冲激响应除t=0时取值不为零外，其他抽样时刻t=kTs上的抽样值均为零。下面我们来推导符合以上条件的H(ω)。因为h(t)=dwewHjwt)(21所以在t=kTs时，h(kTs)=1()2sjwkTHwedw把上式的积分区间用分段积分代替，每段长为2π/Ts，则上式可写成h(kTs)=(21)/(21)/1()2SSiTjwkTiTiHwedw作变量代换：令ω′=ω-，则有dω′=dω,ω=ω′+。且当ω=时，于是2/siTSTi)12('ST/2-/12(')'2SSSTjwkTjikTiiHweedwT//12(')'2SSSTjwkTTiiHwedwT当上式之和一致收敛时，求和与积分的次序可以互换，于是有h(kTs)=/-/12()2SSSTjwkTTisiHwedwT2/siTh(kTs)=这里，我们已把ω′重新记为ω。由傅里叶级数可知，若F(ω)是周期为2π/Ts的频率函数，SjnwTnnefwF)(//()2SSSTjwkTsnTTfFwedw将无码间串扰时域条件(5.5-1)带入上式，便可得到无码间串扰时，基带传输特性应满足的频域条件1)2(1siSTiwHTwT或者写成SssiTwTTiwH,)2(该条件称为奈奎斯特第一准则。它为我们提供了检验一个给定的系统特性H(ω)是否产生码间串扰的一种方法。式(5.5-9)，将H(ω)在ω轴上移位2πi/Ts(i=0,±1,±2,…)，然后把各项移至在|ω|≤区间内的内容进行叠加。STi2)2(iSTiwH例如：设H(ω)具有图5-10（a）所示的特性，式图5-10Hep(w)的构成TsH()OTs3－Ts2－Ts－TsTs2Ts3OTs－TsTs3－Ts2－Ts－TsTs2Ts3OTs－TsHeq()Tsi＝0i＝－1i＝＋1(a)(b)(c)(d)(e)由上例看出，式(5.5-9)的物理意义是，按ω=±(2n-1)π/Ts（其中n为正整数）将H(ω)在ω轴上以2π/Ts间隔切开，然后分段沿ω轴平移到(-π/Ts，π/Ts)区间内进行叠加，其结果应当为一常数（不必一定是Ts），如图5-10(e)所示。这种特性称为等效理想低通特性，记为Heq(ω)。即Heq(ω)=(5.5-10)显然，满足式(5.5-10)的系统H(ω)并不是惟一的。如何设计或选择满足式(5.5-10)的H(ω)是我们接下来要讨论的问题。容易想到的一种，就是式(5.5-10)中只有i=0，即2()iSiHwTwTT0wTHeq(w)=H(W)=TS,0TwwT这时，H(ω)为一理想低通滤波器。如图5-11（a）所示，它的冲激响应为(5.5-12)如图5-11（b）所示，h(t)在t=±kTs(k≠0)时有周期性零点，当发送序列的间隔为Ts时正好巧妙地利用了这些零点（见图5-11（b）中虚线），实现了无码间串扰传输。由图5-11和式(5.5-11)可以看出，输入序列若以1/Ts波特的速率进行传输时，所需的最小传输带宽为1/2Ts。这是在抽样时刻无码间串扰条件下，基带系统所能达到的极限情况。此时基带系统所能提供的最高频带利用率为η=2波特／赫。通常，我们把1／2Ts称为奈奎斯特带宽，记为W1，则该系统无码间串扰的最高传输速率为2W1波特，称为奈奎斯特速率。)/(sin)(SSSTtSatTtTth图5-11（a）传输特性；(b)冲激响应S()OTs－TsTs(a)s(t)S0O－4Ts－3Ts－2Ts－TsTs2Ts3Ts4Tst(b)从上面的讨论可知，理想低通传输特性的基带系统有最大的频带利用率。但令人遗憾的是，理想低通系统在实际应用中存在两个问题：一是理想矩形特性的物理实现极为困难；二是理想的冲激响应h(t)的“尾巴”很长，衰减很慢，当定时存在偏差时，可能出现严重的码间串扰。考虑到实际的传输系统总是可能存在定时误差的，因而，一般不采用Heq(ω)=H(ω)，而只把这种情况作为理想的“标准”或者作为与别的系统特性进行比较时的基础。考虑到理想冲激响应h(t)的尾巴衰减慢的原因是系统的频率截止特性过于陡峭，这启发我们可以按图5-12所示的构造思想去设计H(ω)特性，只要图中的Y(ω)具有对W1呈奇对称的振幅特性，则H(ω)即为所要求的。这种设计也可看成是理想低通特性按奇对称条件进行“圆滑”的结果，上述的“圆滑”，通常被称为“滚降”。定义滚降系数为图5-12滚降特性构成Heq()OW1f＋OY()fW1W1＋W2OH()W1W1＋W2＝fW2α=(5.5-13)其中W1是无滚降时的截止频率，W2为滚降部分的截止频率。显然，0≤α≤1。不同的α有不同的滚降特性。图5-13画出了按余弦滚降的三种滚降特性和冲激响应。具有滚降系数α的余弦滚降特性H(ω)可表示成12wwH(ω)=TS0)],(2sin1[2wTaTTSSSSTaw)1(0SSTawTa)1()1(STaw)1(而相应的h(t)为H(t)=SSSSTtTtTtTt/41/cos//sin22实际的H(ω)可按不同的α来选取。由图5-13可以看出：α=0时，就是理想低通特性；α＝1时，是实际中常采用的升余弦频谱特性，这时，H(ω)可表示为H(W)=),2cos1(2SSwTTTw0Tw图5-13(a)传输特性;（b）冲激响应H()Ts＝0＝10.750.5OW12W1f(a)h(t)0＝0.50.751t14W1－12W1－12W114W1(b)1其单位冲激响应为SSSSTtTtTtTtth/41/cos//sin)(22由图5-13和式(5.5-16)可知，升余弦滚降系统的h(t)满足抽样值上无串扰的传输条件，且各抽样值之间又增加了一个零点，其尾部衰减较快(与t3成反比)，这有利于减小码间串扰和位定时误差的影响。但这种系统的频谱宽度是α=0的2倍，因而频带利用率为1波特/赫，是最高利用率的一半。若0＜α＜1时，带宽B=(1+α)/2Ts赫，频带利用率η=2/(1+α)波特/赫。应当指出，在以上讨论中并没有涉及H(ω)的相移特性。但实际上它的相移特性一般不为零，故需要加以考虑。然而，在推导式(5.5-9)的过程中，我们并没有指定H(ω)是实函数，所以，式(5.5-9)对于一般特性的H(ω)均适用。5.6无码间串扰基带系统的抗噪声性能码间串扰和信道噪声是影响接收端正确判决而造成误码的两个因素。上节讨论了不考虑噪声影响时，能够消除码间串扰的基带传输特性。本节来讨论在无码间串扰的条件下，噪声对基带信号传输的影响，即计算噪声引起的误码率。若认为信道噪声只对接收端产生影响，则分析模型如图5-14。设二进制接收波形为s(t)，信道噪声n(t)通过接收滤波器后的输出噪声为nR(t)，则接收滤波器的输出是信号加噪声的混合波形，即x(t)=s(t)+nR(t)图5–14抗噪声性能分析模型接收滤波器取样判决器n(t)GR()s(t)nR(t)＋若二进制基带信号为双极性，设它在抽样时刻的电平取值为+A或-A（分别对应与信码“1”或“0”）,则x(t)在抽样时刻x(kTs)=A+nR(kTs),发送“1”时-A+nR(kTs),发送“0”时设判决电路的判决门限为Vd，x(kTs)＞Vd,判为“1”x(kTs)＜Vd，判为“0”码5-15所示。其中，图(a)是无噪声影响时的信号波形，而图（b）则是图(a)波形叠加上噪声后的混合波形。图5-15判决电路的典型输入波形01010100*0