部分响应和时域均衡课件

通信原理第第4 4章章 数字基带传输数字基带传输(4.54.8)1通信原理第4章 数字基带传输1n 接收滤波器的传输特性：接收滤波器的传输特性：n 发送滤波器的传输特性：发送滤波器的传输特性：回顾回顾理想信道下最佳基带传输系统理想信道下最佳基带传输系统n 匹配滤波器匹配滤波器2 接收滤波器的传输特性：回顾-理想信道下最佳基带传输系统4.5 最佳基带传输系统最佳基带传输系统n 错误概率错误概率n 输出噪声输出噪声 的一维概率密度函数为的一维概率密度函数为34.5 最佳基带传输系统 错误概率 输出噪声的一维概率密度4.5 最佳基带传输系统最佳基带传输系统n 误码率与误码率与E/n0关系表达式：关系表达式：44.5 最佳基带传输系统 误码率与E/n0关系表达式：44.5 最佳基带传输系统最佳基带传输系统n当当L2时，时，n 当误码率较低时，为当误码率较低时，为 保持误码率不变，保持误码率不变，L 值增大到值增大到2倍，信噪倍，信噪 比大约需要增大比大约需要增大7 dB。增加码元进制数，可以在同样的增加码元进制数，可以在同样的频带内提高信息速率，是以频带内提高信息速率，是以提高发送提高发送功率为代价功率为代价的。的。54.5 最佳基带传输系统当L2时，当误码率较低时，为 4.5 最佳基带传输系统最佳基带传输系统n 4.5.2 非理想信道的最佳基带传输系统非理想信道的最佳基带传输系统n最佳传输条件最佳传输条件n接收滤波器接收的信号码元频谱等于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。为使此匹配滤波器的传输函数数GR(f)和接收信号码元的频谱匹配和接收信号码元的频谱匹配，要，要求求64.5 最佳基带传输系统 4.5.2 非理想信道的最佳基带传4.5 最佳基带传输系统最佳基带传输系统n此总传输特性此总传输特性H(f)能使其对于高斯白噪声的信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，件。为了消除码间串扰，H(f)满足：满足：n 基带传输系统的总传输特性为基带传输系统的总传输特性为74.5 最佳基带传输系统此总传输特性H(f)能使其对于高斯白4.5 最佳基带传输系统最佳基带传输系统n可以在接收端增加一个可以在接收端增加一个横向均衡滤波器横向均衡滤波器T(f)，使系，使系统总传输特性满足上式要求。对统总传输特性满足上式要求。对T(f)的要求的要求:84.5 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T4.5 最佳基带传输系统最佳基带传输系统n 非理想信道的最佳基带传输系统方框图非理想信道的最佳基带传输系统方框图均衡器去除均衡器去除码间干扰码间干扰94.5 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问题引入：问题引入：在实际应用中如何用简便的实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？验手段来定性评价信号的质量？10问题引入：在实际应用中如何用简便的实验第第4章章 数字基带传输数字基带传输n4.1 数字基带信号的码型数字基带信号的码型n4.2 数字基带信号的频谱分析数字基带信号的频谱分析n4.3 无码间干扰的基带传输系统无码间干扰的基带传输系统n4.4 部分响应基带传输系统部分响应基带传输系统n4.5 最佳基带传输系统最佳基带传输系统n4.6 眼图眼图n4.7 均衡均衡n4.8 数据序列的扰码与解扰数据序列的扰码与解扰主要内容主要内容11第4章 数字基带传输4.1 数字基带信号的码型主要内容114.6 眼图眼图随机随机二元二元序列序列观察点观察点H()y(t)发送滤波发送滤波器器GT()传输信道传输信道C()抽样抽样判决判决噪声噪声基带传输系统基带传输系统接收滤波接收滤波器器GR()ann(t)an01124.6 眼图随机二元序列观察点H(w)y(t)发送滤波器G4.6 眼图眼图n眼图实例眼图实例134.6 眼图眼图实例134.6 眼图眼图n眼图模型眼图模型n最佳抽样时刻最佳抽样时刻是是“眼睛眼睛”张开最大的时刻；张开最大的时刻；n定时误差灵敏度定时误差灵敏度是眼图斜边的斜率。斜率越大，是眼图斜边的斜率。斜率越大，对位定时误差越敏感；对位定时误差越敏感；144.6 眼图眼图模型最佳抽样时刻是“眼睛”张开最大的时刻；4.6 眼图眼图n图中央的横轴位置对应于图中央的横轴位置对应于判决门限电平判决门限电平；n抽样时刻上，上下两阴影区的间隔距离之半为抽样时刻上，上下两阴影区的间隔距离之半为噪噪声容限声容限，若噪声瞬时值超过它就可能发生错判；，若噪声瞬时值超过它就可能发生错判；154.6 眼图图中央的横轴位置对应于判决门限电平；154.6 眼图眼图n图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波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，即形零点位置的变化范围，即过零点失真过零点失真，它对于，它对于利用信号零交点的位置来提取定时信息的接收系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。统有很大影响。164.6 眼图图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波形零4.6 眼图眼图n眼图照片眼图照片174.6 眼图眼图照片17第第4章章 数字基带传输数字基带传输n4.1 数字基带信号的码型数字基带信号的码型n4.2 数字基带信号的频谱分析数字基带信号的频谱分析n4.3 无码间干扰的基带传输系统无码间干扰的基带传输系统n4.4 部分响应基带传输系统部分响应基带传输系统n4.5 最佳基带传输系统最佳基带传输系统n4.6 眼图眼图n4.7 均衡均衡n4.8 数据序列的扰码与解扰数据序列的扰码与解扰主要内容主要内容18第4章 数字基带传输4.1 数字基带信号的码型主要内容184.7 均衡均衡n4.7.1 均衡均衡n假设假设：信道特性：信道特性C()已知已知n问题问题：实际实现时，由于难免存在：实际实现时，由于难免存在滤波器滤波器的设计误差和信道特性的变化的设计误差和信道特性的变化，所以无法，所以无法实现理想的传输特性，因而导致系统性能实现理想的传输特性，因而导致系统性能的下降。的下降。n解决方法解决方法：在接收滤波器和抽样判决器间：在接收滤波器和抽样判决器间插入一种可调（或不可调）插入一种可调（或不可调）滤波器滤波器来校正来校正或补偿系统特性。这种起补偿作用的滤波或补偿系统特性。这种起补偿作用的滤波器称为器称为均衡器均衡器。194.7 均衡4.7.1 均衡194.7 均衡均衡n作用作用：校正或补偿系统特性，减小码间串扰：校正或补偿系统特性，减小码间串扰的影响。的影响。x(t)y(t)204.7 均衡作用：校正或补偿系统特性，减小码间串扰的影响。4.7 均衡均衡n 均衡器的种类：均衡器的种类：n 频域均衡器频域均衡器：是从：是从校正系统的频率特性校正系统的频率特性出发，出发，利用一个可调滤波器的频率特性去补偿信道或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。带系统的总传输特性接近无失真传输条件。n 时域均衡器时域均衡器：直接校正已失真的响应波形直接校正已失真的响应波形，使，使 包括可调滤波器在内的整个系统的冲激响应满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。足无码间串扰条件。214.7 均衡 均衡器的种类：214.7 均衡均衡n 时域均衡原理时域均衡原理 y(t)Tsc-NTsc-1Ts x(t)c0c1cNTst-2Ts -Ts 0 Ts 2Tsx(t)y(t)t-2Ts -Ts 0 Ts 2Ts调整各抽头的增益调整各抽头的增益ci，使下式成立使下式成立224.7 均衡 时域均衡原理 y(t)Tsc-NTsc-1T4.7 均衡均衡【例例】设有一个三抽头的横向滤波器，其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；均衡器输入x(t)在各抽在各抽样点上的取值分别为：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，其余都为零。试求均衡器输出y(t)在各抽样在各抽样点上的值。点上的值。【解】【解】234.7 均衡【例】设有一个三抽头的横向滤波器，其C-14.7 均衡均衡同理同理 可求得可求得 y-2=-1/16，y+2=-1/4，其余均为，其余均为0。244.7 均衡同理244.7 均衡均衡n 4.7.2 均衡准则均衡准则 通常采用通常采用峰值失真准则峰值失真准则和和均方失真准则均方失真准则。n 峰值失真定义：峰值失真定义：物理意义物理意义：所有抽样时刻的码间串扰绝对值之和：所有抽样时刻的码间串扰绝对值之和与与t=0时刻的抽样值之比，即峰值码间干扰与有时刻的抽样值之比，即峰值码间干扰与有用信号的样值之比。用信号的样值之比。问题：如何调整抽头系数以获得最佳的问题：如何调整抽头系数以获得最佳的均衡效果？均衡效果？254.7 均衡 4.7.2 均衡准则物理意义：所有抽样时刻的4.7 均衡均衡n 均方失真定义：均方失真定义：n 最小峰值失真准则工作原理最小峰值失真准则工作原理迫零均衡迫零均衡未均衡前的输入峰值未均衡前的输入峰值失真称为失真称为初始失真初始失真 若若xk是归一化的是归一化的且令且令x0=1264.7 均衡 均方失真定义：最小峰值失真准则工作原理4.7 均衡均衡样值样值yk也归一化也归一化令令y0=1问题：问题：D是是Ci 的函数，如何使的函数，如何使D最小？最小？x0=1274.7 均衡样值yk也归一化令y0=1问题：D是Ci 4.7 均衡均衡n Lucky曾证明：如果初始失真曾证明：如果初始失真D01,则则D的最小的最小 值必然发生在值必然发生在 y0前后的前后的yk都等于零的情况下。都等于零的情况下。n 定理的数学意义是，所求的系数定理的数学意义是，所求的系数Ci应该是下应该是下式式成立时的成立时的2N+1个联立方程的解。个联立方程的解。这这2N+1个线性方程为个线性方程为284.7 均衡 Lucky曾证明：如果初始失真D01,则D4.7 均衡均衡n写成矩阵形式写成矩阵形式 n 物理意义物理意义：在输入序列：在输入序列xk给定时，如果按上式给定时，如果按上式方程组调整或设计各抽头系数方程组调整或设计各抽头系数Ci，可迫使均衡器输，可迫使均衡器输出的各抽样值出的各抽样值yk为零。这种调整叫做为零。这种调整叫做“迫零迫零”调整，调整，所设计的均衡器称为所设计的均衡器称为“迫零迫零”均衡器均衡器。294.7 均衡写成矩阵形式294.7 均衡均衡【例】设计一个具有【例】设计一个具有3个抽头的迫零均衡器，以减小码个抽头的迫零均衡器，以减小码 间串扰。已知间串扰。已知x-2=0，x-1=0.1，x0=1，x1=-0.2，x2=0.1，求，求3个抽头的系数，并计算均衡个抽头的系数，并计算均衡 前后的峰值失真。前后的峰值失真。【解解】2N+1=3C 1=0.09606，C0=0.9606，C1=0.201 304.7 均衡【例】设计一个具有3个抽头的迫零均衡器，以减小4.7 均衡均衡输入峰值失真：输入峰值失真：D0=0.4输出峰值失真：输出峰值失真：D=0.0869 均衡后的峰值失真均衡后的峰值失真减小减小4.6倍倍 n 结论结论：抽头有限时，总不能完全消除码间串：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，但适当增加抽头数可以将码间串 扰减小到相当小的程度。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=0.02016314.7 均衡输入峰值失真：D0=0.4输出峰值失真：D=第第4章章 数字基带传输数字基带传输n4.1 数字基带信号的码型数字基带信号的码型n4.2 数字基带信号的频谱分析数字基带信号的频谱分析n4.3 无码间干扰的基带传输系统无码间干扰的基带传输系统n4.4 部分响应基带传输系统部分响应基带传输系统n4.5 最佳基带传输系统最佳基带传输系统n4.6 眼图眼图n4.7 均衡均衡n4.8 数据序列的扰码与解扰数据序列的扰码与解扰主要内容主要内容33第4章 数字基带传输4.1 数字基带信号的码型主要内容334.8 数字序列的扰码与解扰数字序列的扰码与解扰n 对二进制信息先做对二进制信息先做“随机化随机化”处理，变为处理，变为伪随伪随 机序列机序列，也能限制，也能限制0码或码或1码的长度，这种随码的长度，这种随 机化处理称为机化处理称为“扰码扰码”。n 扰码扰码按照一定的规律按照一定的规律扰乱原有的二进制信息扰乱原有的二进制信息 形式，使信息呈现形式，使信息呈现“伪随机伪随机”的特征，接收的特征，接收端端 通过通过“解扰解扰”恢复原有的数字序列。恢复原有的数字序列。n 问题：问题：如何解决信源序列的非随机性问如何解决信源序列的非随机性问 题并限制连题并限制连“0”的长度？的长度？344.8 数字序列的扰码与解扰 对二进制信息先做“随机化”4.8 数字序列的扰码与解扰数字序列的扰码与解扰n 扰码的作用：扰码的作用：1 1、改善位定时同步的质量改善位定时同步的质量，保证稳定的定时，保证稳定的定时 提取；提取；2 2、改善帧同步和自适应均衡器的性能改善帧同步和自适应均衡器的性能（改善（改善 信号的随机性）；信号的随机性）；3 3、避免交互调制的影响避免交互调制的影响，避免信号中存在的单，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，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。减少对邻路信号的干扰。354.8 数字序列的扰码与解扰 扰码的作用：354.8 数字序列的扰码与解扰数字序列的扰码与解扰n 扰码原理：扰码原理：扰码原理是以扰码原理是以线性反馈移位寄存器线性反馈移位寄存器为基础的。为基础的。将输入二进制数字序列逐位与一个将输入二进制数字序列逐位与一个最长线性移最长线性移 位寄存器序列产生器位寄存器序列产生器的反馈数字模的反馈数字模2 2相加，输入数相加，输入数 字就被扰乱。字就被扰乱。364.8 数字序列的扰码与解扰 扰码原理：364.8 数字序列的扰码与解扰数字序列的扰码与解扰n 线性反馈移位寄存器线性反馈移位寄存器其中其中ci的取值为的取值为1或或0，i=1,2,m.1-kL2-kL3-kL.mkL-kLmc1c2c3c1-mcka374.8 数字序列的扰码与解扰 线性反馈移位寄存器其中ci的4.8 数字序列的扰码与解扰数字序列的扰码与解扰n 扰码扰码是将传输的码变成是将传输的码变成“0”和和“1”概率分布概率分布近似近似 相等，且前后相互独立的随机码。相等，且前后相互独立的随机码。若若m=4，c1=0、c2=0、c3=1、c4=11-kL2-kL3-kLkL4c3cka4-kL384.8 数字序列的扰码与解扰 扰码是将传输的码变成“0”和ak1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0Lk-3Lk-4Lk0010000011010101011110111001101110110011014.8 数字序列的扰码与解扰数字序列的扰码与解扰1-kL2-kL3-kLkL4c3cka4-kL39ak1 0 1 0 1 0 1 0 1 n 解扰器解扰器加扰：加扰：解扰：解扰：4.8 数字序列的扰码与解扰数字序列的扰码与解扰1-kL2-kL3-kL.mkL-kLmc1c2c3c1-mcka 40 解扰器加扰：解扰：4.8 数字序列的扰码与解扰1-kL2加扰：加扰：解扰：解扰：akLk-3Lk-40000001001101101101111010010Lk1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 11 0 111 00010011 04.8 数字序列的扰码与解扰数字序列的扰码与解扰n 解扰器解扰器1-kL2-kL3-kLkL3c4cka 4-kL41加扰：解扰：akLk-3Lk-400000010011011本次课小结本次课小结n 眼图的概念；眼图的概念；n 均衡的概念；均衡的概念；n 时域均衡原理；时域均衡原理；n 加扰和解扰的概念。加扰和解扰的概念。42本次课小结 眼图的概念；42本章小结本章小结n根据实际信号的频谱特性，常常把信号分为基带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。信号和频带信号。n如果在数字通信系统中信号的传递过程始终保持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信号频谱在零频率附近，该通信系统常被称为，该通信系统常被称为数数字信号的基带传输系统字信号的基带传输系统;n围绕提高数字基带传输系统传输信息的围绕提高数字基带传输系统传输信息的有效性和有效性和可靠性可靠性展开讨论。展开讨论。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本章小结本章小结n通过学习通过学习奈奎斯特第一准则奈奎斯特第一准则，认识到通信系统，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。速率数值上等于信道带宽的两倍。n通过对数字基带传输系统性能（误码率）的分通过对数字基带传输系统性能（误码率）的分析，认识到析，认识到噪声噪声是影响通信系统可靠性的重要是影响通信系统可靠性的重要因素。因素。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本章小结本章小结n在和实际结合方面，本章通过在码元速率等于在和实际结合方面，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，说明了计问题的讨论，说明了奈奎斯特第一准则的不奈奎斯特第一准则的不可实现性可实现性。n通过运用通过运用部分响应技术部分响应技术设计信号将大大提高系设计信号将大大提高系统的可实现性；统的可实现性；n本章强调指出，在实际中要做到信号传输完全本章强调指出，在实际中要做到信号传输完全无码间串扰是不可能的，在接收端采用无码间串扰是不可能的，在接收端采用时域均时域均衡技术衡技术可有效地减小码间串扰的影响，提高系可有效地减小码间串扰的影响，提高系统的可靠性。统的可靠性。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本章小结本章小结n最佳基带传输系统：理想信道和非理想信道；最佳基带传输系统：理想信道和非理想信道；n无码间串扰的基带传输特性：无码间串扰的基带传输特性：理想系统、等效系统、升余弦滚降系统；理想系统、等效系统、升余弦滚降系统；n部分响应、眼图与均衡技术的概念。部分响应、眼图与均衡技术的概念。46本章小结最佳基带传输系统：理想信道和非理想信道；46思考题：思考题：1、什么是数字调制？数字调制和、什么是数字调制？数字调制和 模拟调制有哪些异同？模拟调制有哪些异同？2、数字频带传输中应该分析数字、数字频带传输中应该分析数字 已调信号的哪些特性？已调信号的哪些特性？3、矩形脉冲波形和升余弦滚降波、矩形脉冲波形和升余弦滚降波 形的区别在哪里？形的区别在哪里？作业：作业：4-14，4-15，4-1647思考题：作业：4-14，4-15，4-1647