数字基带传输系统中传码率与码间干扰的分析

　　[摘要]本文主要分析了在数字基带传输系统传输信息的过程中，所出现的传码率与码间干扰之间的关系。
　　[关键词]基带传输系统，仿真
　　1．数字基带传输系统的构成及原理
　　目前，在实际使用的数字通信中，对于基带传输系统的研究是十分有意义的。这是因为：首先，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；其次，随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势，目前，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输；最后，理论上也可以证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统所代替。在信号传输过程中，对模拟信号经过信源编码得到的信号为数字基带信号，将这种信号经过码型变换，直接送到信道传输，称为数字信号的基带传输，本文主要设计了数字基带传输系统中，不同的传码率所产生的码间干扰的不同。
　　在数字基带传输系统中对信号的码型的要求如下：
　　（1）有利于提高系统的频带利用率。
　　（2）基带信号应不含直流分量，同时低频分量尽量少，因为由于变压器的接入，使信道具有低频截止特性。
　　（3）考虑到码型频谱中高频分量的影响。电缆中线对间由于电磁辐射而引起的串话会随频率升高而加剧，会限制信号的传输距离或传输容量。
　　（4）基带信号应具有足够大的定时信号供提取。
　　(5)基带信号的传输码型应具有误码检测能力。
　　（6）码型变换设备简单，容易实现。
　　数字基带信号传输系统如图1.1所示：
　　
　　图1.1数字基带信号传输框图
　　它主要由发送滤波器（信号形成器）、信道、接收滤波器和抽样判决器组成。为了保证系统可靠有序地工作，还有同步系统。
　　图中各方框的功能和信号传输的物理过程简述如下：
　　（1）信道信号形成器（发送滤波器）。它的功能是产生适合信道传输的基带信号波形。因为其输入一般是经过码行编码器产生的传输码，相应的基本波形通常是矩形脉冲，其频谱很宽，不利于传输。发送滤波器用于压缩输入信号频带，把传输码变换成适宜于信道传输的基带信号波形。
　　（2）信道。是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如双绞线、同轴电缆等。信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，因此会引起传输波形的失真。恒参信道如（明线、同轴电缆、对称电缆、光纤通道、无线电视距中继、卫星中继信道）对信号传输的影响主要是线形畸变；随参信道如（短波电离层反射、对流层散射信道等）对信号传输的影响主要有多径传播、频率的选择性衰落。另外信道还会引入噪声n（t），并假设它是均值为零的高斯白噪声。
　　（3）接收滤波器。它用来接收信号，尽可能滤除信道噪声和其他干扰，对信道特性进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。
　　（4）抽样判决器。则是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。
　　（5）定时脉冲和同步提取。用来抽样的位定时脉冲依靠同步提取电路从接收信号中提取，位定时的准确与否将直接影响判决效果。
　　2．无码间串扰传输的条件
　　在基带传输系统中，由于系统（主要是信道）特性不理想，接收端收到的数字基带信号波形会发生畸变，使码元之间互相产生干扰。此外，信号在传输过程中受信道加性噪声的影响，还会使接收波形叠加上随机干扰，造成接收端判决时发生误码。为了消除或减小这些干扰，必须合理地设计基带传输系统，因此对系统特性和信号波形进行讨论。
　　基带传输系统总的传输特性(w)可写为:
　　(2.1)
　　其单位冲击响应为:
　　=(2.2)
　　接受滤波器输出信号r（t）为:
　　(2.3)
　　式中，n=0时为理想采样值，其余n的取值相加均为码间干扰，为加性噪声，n（t）经过滤波器后输出的窄带噪声。抽样判决器对r（t）进行抽样判决，以确定所传输的数字信息序列。
　　滚降低通幅频特性，实际传输中，不可能有绝对的基带传输系统，这样一来，不得不降低频带利用率，采用具有奇对称滚降特性的低通滤波器作为传输网络。
　　根据推导得出结论：只要滚降低通的幅频特性以点C（，1/2）呈奇对称滚降，则可满足无码间干扰的条件（此时仍需满足传输速率=2fc）。
　　对于数字基带传输，甚至数字带通信道传输，另一个可能引起接收误码的重要因素是码间或符号间干扰（IntersymbolInterference，ISI）。其主要原因是，窄脉冲波形序列的每一个脉冲需要很宽的信道带宽，而有限带宽的信道传输对于信号脉冲限带后，原来发送的这些信号脉冲必然在时域流散，它们会大大超越发送时的码元间隔。相邻脉冲在信道中的互相“拖尾”混叠，在接受定时判决时，就可能导致误码。
　　分析可见，为了获得足够小的误码率，必须最大限度地减小码间串扰及随机噪声的影响，这需要合理地设计基带信号和基带传输系统。从理论上说，只要合理地设计系统的传输特性，码间串扰是可以消除的；但对随机噪声来说，只能尽量减小其影响，不能完全消除。
　　奈奎斯特对此进行了研究，提出了不出现码间干扰的条件：当码元间隔T的数字信号在某一理想低通信道中传输时，若信号的传输速率为（为理想低通截止频率），则此时是传输系统不产生码间干扰的最大传码率，且信道的频带利用率达到极限。当满足这一条件时，其它码元的拖尾振幅在对应于某一码元响应的最大值处刚好为零。以下设计均不考虑随机噪声的影响。
　　3系统仿真分析
　　用软件systemview搭建数字基带传输系统仿真图，进行仿真结果如下：
　　（1）此时设=50Hz，=100Hz，根据以上理论可知传码率为理论上传码率的最大值。仿真如下：
　　
　　图3.1Sink3和Sink8模块发送和接收到的码元波形
　　
　　图3.1说明：最终接收到的信号经过和原始信号的比较，发现没有发生码元的判决错误，即使加入一定的噪声仍然能正常传输，没有出现码间干扰。
　　（2）若=50Hz，Rb=110bps，仿真结果如下：
　　
　　图3.2发送和接收到的码元信号
　　图3.2说明：当输入信号的波特率为110bps时，此时的条件已不满足奈奎斯特第一准则，重新运行系统后，可观察到信号传输错误。接收到的信号在原始传输的0.2s和0.3s时发生码元的判决错误。当输入信号的波特率大于100bps时结果说明：此时的条件不满足奈奎斯特第一准则，重新运行系统后，可观察到信号发生传输错误。如果输入信号的波特率比100bps大的多接收到的信号大部分发生码元判决错误，这就是传码率与码间干扰的关系。
　　参考文献：
　　[1]SystemView通信仿真开发手册孙屹国防工业出版社2004；
　　[2]通信原理（第6版）樊昌信，曹丽娜国防工业出版社2007；