數(shù)字信號(hào)的信道傳輸

數(shù)字信號(hào)的信道傳輸

浙江傳媒學(xué)院溫懷疆

1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量數(shù)字信號(hào)包括DVB數(shù)字電視廣播信號(hào)、CMTS下行信號(hào)以及用于其他功能的QAM及QPSK信號(hào)。在數(shù)字信號(hào)傳輸中，用來(lái)表示每一個(gè)信碼的數(shù)字單元稱為碼元，碼元的物理表示稱為符號(hào)。一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間稱為碼元長(zhǎng)度。碼元中所包含的信息的多少用信息量來(lái)衡量，單位為“b（比特）”。在通信系統(tǒng)中規(guī)定每1位二進(jìn)制碼元攜帶1b的信息量，而1位m進(jìn)制碼元所攜帶辟的信息量為N=log2mb信息傳輸?shù)挠行砸孕畔鬏斔俾蕘?lái)衡量。Rb=Rslog2mb/s1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量由于傳送信道有不同的帶寬，有效性還可以“譜效率”來(lái)衡量，即每赫茲能傳多少信息速率。例如，數(shù)字電視地面廣播一個(gè)信道要傳送HDTV或同時(shí)傳幾個(gè)SDTV節(jié)目所需要的信息速率約為20Mb/s，對(duì)于6MHz系統(tǒng)來(lái)說(shuō)其譜效率要達(dá)到4b/s/Hz，對(duì)于7MHz或8MHz系統(tǒng)要達(dá)到3b/s/Hz。1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量數(shù)字信號(hào)更能夠容忍信噪比的劣化，但對(duì)系統(tǒng)相位噪聲、相干干擾、周期性干擾和增益壓縮等的更加敏感。數(shù)字信號(hào)表征量在原先模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上帶來(lái)很多新的變化。數(shù)字系統(tǒng)最基本的測(cè)量是傳輸錯(cuò)誤率，傳輸錯(cuò)誤率通常用比特誤碼率（BER）來(lái)表示。另外還有一些參數(shù)：信號(hào)電平、誤差矢量幅值（EVM）、調(diào)制誤碼比(MER)、信噪比等。1）信號(hào)電平數(shù)字信號(hào)的電平與模擬信號(hào)的電平不同。對(duì)數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)，信號(hào)電平就是指有效帶寬內(nèi)射頻或中頻信號(hào)的平均功率電平。數(shù)字信號(hào)電平可以直接用專用數(shù)字信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)儀（如天津德力DS1191A）或頻譜儀測(cè)量。在用頻譜儀測(cè)試時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：正確連接系統(tǒng)，校準(zhǔn)儀器，確保阻抗匹配；調(diào)節(jié)頻譜儀中心頻率到被測(cè)頻道，選擇合適的掃寬和電平顯示，使頻譜儀能夠顯示整個(gè)頻道；1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量2）星座圖（Constellation）在QAM調(diào)制方式中，同時(shí)利用載波的幅度和相位來(lái)表示被調(diào)制數(shù)據(jù)?？v軸矢量“I”串流和橫軸矢量“Q”串流可描繪為九十度相位差形成的格子，代表“I”乘“Q”數(shù)的可能狀態(tài)，此格子通常稱為“星座圖”。星座圖中反映了QAM調(diào)制技術(shù)的兩個(gè)基本參數(shù)，載波的幅度和相位。1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量3）比特誤碼率BER(BitErrorRatio)BER是符號(hào)被推擠進(jìn)入相鄰符號(hào)范圍從而導(dǎo)致那些符號(hào)被誤解的概率?？捎谜`比特率Pb或誤符號(hào)率Ps來(lái)表示。通常以10的n次方來(lái)表示，例如測(cè)量得3E-5表示在十萬(wàn)次傳送碼有3個(gè)誤碼，誤碼數(shù)目在閾值內(nèi)，可以通過(guò)信道編碼來(lái)糾錯(cuò)，達(dá)到E-11以上。1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量數(shù)字信道條件變壞有懸崖效應(yīng)1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量4）調(diào)制誤碼比MER（ModulationErrorRatio）數(shù)字系統(tǒng)中的調(diào)制誤碼比(MER)，是指平均矢量幅度與誤差幅度的有效值的比值，結(jié)果以dB表示，MER的值越大代表越好。其定義式為：式中：是各星座點(diǎn)的矢量坐標(biāo)；是到對(duì)應(yīng)理想星座點(diǎn)的矢量偏差。1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量式中：是星座點(diǎn)矢量模的均方根值。MER不僅考慮到幅度噪聲，也考慮到相位噪聲。測(cè)量信號(hào)的MER值是判定通路失效邊界（系統(tǒng)失效容限）的關(guān)鍵部分。它不象在模擬系統(tǒng)中圖像質(zhì)量會(huì)隨著載噪比性能的下降明顯降低，通常情況下較差的MER對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懮喜⒉伙@著，只有在低于系統(tǒng)MER門(mén)限值的情況下，才嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸。MER是一個(gè)統(tǒng)計(jì)測(cè)量，其主要局限是不能捕捉到周期性的瞬間的測(cè)量。在周期性的干擾下測(cè)得的MER可能很好，但BER值卻很差。但總的來(lái)說(shuō)MER還是一個(gè)很好的反映QAM信號(hào)的指針，同時(shí)也是一個(gè)相當(dāng)有用的故障排除輔助工具，MER是一個(gè)很多傳送碼的平均值，所以它不像BER是一個(gè)判斷數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的好工具。1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量5）誤差矢量幅值EVM（ErrorVectorMagnitude）它的定義式為：是發(fā)射信號(hào)的理想的測(cè)量分量I（同相位）和Q（正交相位）（稱為基準(zhǔn)信號(hào)“R”）與實(shí)際接收到的測(cè)量信號(hào)“M”的I和Q分量幅值之間的矢量差式中：是各星座點(diǎn)的矢量坐標(biāo)；是到對(duì)應(yīng)理想星座點(diǎn)的矢量偏差。是最大最遠(yuǎn)星座點(diǎn)的矢量的模。1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量EVM表征平均誤碼量值與最大符號(hào)量值的比值，EVM和MER是有一定關(guān)系的但又表達(dá)同一個(gè)信息的兩個(gè)量，MER比較容易地理解成是一種類似S/N的參數(shù)，而EVM則可以理解成類似模擬電路中的波形失真率的一個(gè)參數(shù)。1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量6）載噪比CNR（CarrierNoiseRatio）BER和載噪比直接有關(guān)。式中：C為數(shù)字載波的電平有效值，N為噪聲電平均方根值。在數(shù)字調(diào)制中，往往將載波抑制掉，所傳輸?shù)男盘?hào)中不出現(xiàn)載波，載噪比就無(wú)從談起，但是習(xí)慣上我們將已調(diào)的射頻/中頻信號(hào)的總功率對(duì)有效帶寬內(nèi)噪聲功率之比，定義為CNR。1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量1.數(shù)字信號(hào)幾個(gè)表征量7）信噪比SNR（SignalNoiseRatio）信噪比和載噪比密切相關(guān)，SNR是解調(diào)后視頻信號(hào)電平與噪聲電平之差。2.信道中在噪聲衰落和干擾1）路徑損耗路徑損耗PL可以表示為有效發(fā)射功率PT和接收到的功率Pr之比，即PL=10lg(PT/Pr)這個(gè)損耗是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)彼此相隔的距離的函數(shù)，即

PL

(d)∝（d/d0）n式中，n為路徑損耗指數(shù)，它表明路徑損耗是以怎樣的速率隨距離的增加而增加的；d0為距離基準(zhǔn)，由距發(fā)射機(jī)不遠(yuǎn)處的測(cè)量值選定；d為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相隔的距離。在自由空間中，路徑損耗指數(shù)為2；對(duì)于典型的室外環(huán)境，其值為3~5。在有密集的建筑物或樹(shù)木的環(huán)境中，路徑損耗指數(shù)可超過(guò)8。2.信道中在噪聲衰落和干擾2）陰影衰落接收到的信號(hào)常會(huì)受到室外的小山和建筑物，以及室內(nèi)墻壁的阻隔。事實(shí)上，接收到的信號(hào)功率是個(gè)隨機(jī)變量，取決于障礙物的數(shù)量和電氣特性。由于這些障礙物而引起的信號(hào)改變稱為陰影衰落。2.信道中在噪聲衰落和干擾3）多徑衰落當(dāng)信號(hào)被懸崖或高樓等大的物體反射時(shí)，如圖8-2所示，就不僅有相位抵消，而且會(huì)在直射波和反射波之間有明顯的時(shí)間差，并會(huì)引起失真。這種失真叫做多徑失真或多徑衰落，是由于發(fā)射的信號(hào)經(jīng)不同路徑的直射、折射、衍射到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同而造成的。2.信道中在噪聲衰落和干擾例如，在城市街道上行駛的汽車，其天線收到的是多次反射的信號(hào)，既有陰影衰落又有落，情況很復(fù)雜，如圖8-3所示。2.信道中在噪聲衰落和干擾由于路徑不同，信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間就不一樣，直接路徑（如果有一個(gè)的話）的信號(hào)最先到達(dá)，反射路徑的信號(hào)后到達(dá)。為了算出天線上的瞬時(shí)幅度可以畫(huà)一個(gè)如圖8-4所示的矢量圖，各個(gè)多徑用它的幅度和相對(duì)于直接路徑的相位角來(lái)表示。若VWG和VEG方向相反，就有可能彼此抵消，合成矢量VEW為零。2.信道中在噪聲衰落和干擾2.信道中在噪聲衰落和干擾a.平坦衰落如果汽車無(wú)線信道在一定帶寬Bc內(nèi)有恒定的增益和線性相位響應(yīng)，而且這個(gè)帶寬要大于送信號(hào)的帶寬Bs，即Bc>Bs.么接收的信號(hào)會(huì)承受平坦衰落。如果信道增益隨時(shí)間而變，接收到的信號(hào)的幅度就會(huì)改變，即接收到的信號(hào)r(t)的幅度隨時(shí)間變化。但它的譜R(f)與當(dāng)初發(fā)射信號(hào)的譜S(f)一樣，即所有S(f)中的頻率成分方承受同樣的衰減和相移。2.信道中在噪聲衰落和干擾b.頻率選擇性衰落如果汽車無(wú)線信道在一定帶寬內(nèi)有恒定的增益和線性相位響應(yīng)，但這個(gè)帶寬Bc小于傳送信號(hào)的帶寬Bs，那么這個(gè)信道會(huì)使接收到的信號(hào)發(fā)生頻率選擇性衰落。頻率選擇性衰落信道的特性如圖8-7所示。這時(shí)S(f)在頻帶內(nèi)承受不同的增益和相移。這是由于有多徑時(shí)延接近或超過(guò)傳送信號(hào)的符號(hào)周期，接收到的信號(hào)必然會(huì)失真。2.信道中在噪聲衰落和干擾4）多普勒頻移多普勒頻移fd=ΔΦ/(2πΔt)=(v/λ)cosθ上式將多普勒頻移和汽車的行駛速度、汽車的運(yùn)動(dòng)方向和到達(dá)天線的電波的方向之間的角度聯(lián)系起來(lái)。如果汽車沿著電波向著發(fā)射機(jī)的方向行駛，多普勒頻移是正的的，反之則是負(fù)的。發(fā)射機(jī)發(fā)出的載波頻率1850MHz，汽車行駛速度26.82m/s。λ=c/fc=0.162mf=fc+fd=1850000000+28.82/0.162=1850000166Hzf=fc-fd=1850000000-28.82/0.162=1849999834Hz如果汽車向著遠(yuǎn)離且垂直于電波來(lái)到的方向行駛，則θ=90，cosθ=0，所以沒(méi)有多普勒頻移。2.信道中在噪聲衰落和干擾(1)快衰落在快衰落信道內(nèi)，符號(hào)周期內(nèi)信道的沖擊響應(yīng)快速變化。這時(shí)信道的相干時(shí)間Tc小于傳送信號(hào)的符號(hào)周期Ts，即Ts>Tc。因?yàn)樾诺赖乃ヂ涮匦詫⒃谝粋€(gè)符號(hào)周期內(nèi)改變多次次，從而起基帶脈沖波形的失真。這里失真是因?yàn)樵诜?hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，接收信號(hào)的譜分量并不能一直保持相關(guān)性。(2)慢衰落如果Tc>Ts，則信道是慢衰落的，這時(shí)信道的相關(guān)時(shí)間大于符號(hào)持續(xù)時(shí)間，因此信道狀態(tài)在一個(gè)符號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持不變，傳送的符號(hào)就可能不會(huì)遭受前面所描述的脈沖失真，如平坦衰落一樣。慢衰落信道主要性能降低的原因是信噪比的損失。2.信道中在噪聲衰落和干擾5)分集接收所謂分集接收，是指接收端按某種方式使它收到的攜帶同一信源的多個(gè)路徑信號(hào)的衰落特性相互獨(dú)立，并對(duì)多個(gè)信號(hào)進(jìn)行特定的處理，以降低合成信號(hào)電平起伏，減小各種衰落對(duì)接收信號(hào)的影響。為了使接收到的兩個(gè)信號(hào)滿足相互獨(dú)立的條件，接收端各接收天線之間的間距應(yīng)滿足d≥3λ2.信道中在噪聲衰落和干擾6)均衡上面提到由于傳輸系統(tǒng)的傳輸特性不理想而引起的碼間干擾，破壞了不失真的傳輸條件。為了校正或補(bǔ)償系統(tǒng)的特性，可以在基帶系統(tǒng)中插入一個(gè)可調(diào)濾波器，減小碼間干擾的影響。這種起補(bǔ)償作用的濾波器稱為均衡器。所謂均衡，是指從校正系統(tǒng)的頻率特性出發(fā)，使包括均衡器在內(nèi)的基帶系統(tǒng)的總特性滿足不失真?zhèn)鬏敆l件。2.信道中在噪聲衰落和干擾衡常用的做法是在接收濾波器和抽樣判決器之間插入一個(gè)稱之為橫向?yàn)V波器的可調(diào)濾器。它的功能是將輸入端抽樣時(shí)刻上有碼間干擾的響應(yīng)波形變換成抽樣時(shí)刻上又無(wú)碼間干擾的響應(yīng)波形。3.星座圖與信號(hào)質(zhì)量的關(guān)系1）良好的星座圖在測(cè)試儀器上星座點(diǎn)被很合理的定義和定位在正方形內(nèi)，表明系統(tǒng)又良好的增益，相噪及調(diào)制差錯(cuò)比，如圖所示。3.星座圖與信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)問(wèn)題的關(guān)系2．非連續(xù)無(wú)規(guī)律的噪聲干擾（IncoherentNoiseInterference）形成云霧狀星座圖。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，QAM信號(hào)一直遭受一些如馬達(dá)、繼電器、電力設(shè)備與分配網(wǎng)絡(luò)上的傳輸裝置所產(chǎn)生的隨機(jī)性噪聲干擾。噪聲導(dǎo)致所顯示的符號(hào)落在星座圖方框內(nèi)正常位置的周圍，經(jīng)累積一段時(shí)間后，統(tǒng)計(jì)一特定方框內(nèi)所有符號(hào)的落點(diǎn)就會(huì)形成如云霧狀的星座點(diǎn)分布，每個(gè)符號(hào)表示噪聲干擾些微的差異。如果有更多的噪聲干擾星座圖會(huì)顯示一些符號(hào)超過(guò)判斷門(mén)坎而形成的誤碼(biterrors)。星座點(diǎn)的伸展表明高噪聲和很可能的顯著錯(cuò)誤，如圖所示。

3.星座圖與信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)問(wèn)題的關(guān)系3）連續(xù)有規(guī)律性噪聲的干擾（CoherentInterference）內(nèi)調(diào)制設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備的時(shí)基電路以及廣播的發(fā)射機(jī)都可能是連續(xù)周期性有規(guī)律噪聲的干擾來(lái)源，在特定方框內(nèi)所顯示的符號(hào)形成明顯的圓圈圖形，表明網(wǎng)絡(luò)存在相干干擾源，如圖所示。3.星座圖與信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)問(wèn)題的關(guān)系4）相位噪聲（PhaseNoise）形成旋轉(zhuǎn)型星座圖相位噪聲是一段期間振蕩器其相對(duì)的相位不穩(wěn)定的情況，如果此振蕩器是用于信號(hào)處理(例如本地振蕩器)，這些相位不穩(wěn)定會(huì)影響在信號(hào)上，在信號(hào)處理設(shè)備內(nèi)的振蕩器在設(shè)計(jì)上是只會(huì)對(duì)所處理的信號(hào)增加非常微小的相位噪聲，然而不良的調(diào)制器或處理器可能增加非?？捎^的相位噪聲在信號(hào)上，結(jié)果在星座圖上顯示出繞著圖形中央旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，如圖9所示。出現(xiàn)這種情況說(shuō)明系統(tǒng)中出現(xiàn)嚴(yán)重的相位噪聲。相位噪聲可能是由下/上變頻器造成的。

3.星座圖與信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)問(wèn)題的關(guān)系5）增益壓縮（GainCompression）形成壓縮形星座圖。增益壓縮是在信號(hào)傳送路徑上因有源器件(放大器或信號(hào)處理器)過(guò)度驅(qū)動(dòng)或不良的有源器件所導(dǎo)致的信號(hào)失真，結(jié)果在星座圖上若顯示外部的點(diǎn)被拉進(jìn)中心而中間的點(diǎn)不受影響，四個(gè)角落被扭曲造成四邊彎成如弓形的現(xiàn)象，而不是正常的四方形形狀，則說(shuō)明系統(tǒng)中有出現(xiàn)有源器件增益壓縮的現(xiàn)象，如圖所示。增益壓縮可能是由IF和RF放大器或是上、下變頻器不良等造成的。3.星座圖與信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)問(wèn)題的關(guān)系6）孤立點(diǎn)星座圖。星座圖上出現(xiàn)一些孤立遠(yuǎn)離主簇的