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1、数字信号的信道传输浙江传媒学院 温怀疆,1.数字信号几个表征量,数字信号包括DVB数字电视广播信号、CMTS下行信号以及用于其他功能的QAM及QPSK信号。在数字信号传输中，用来表示每一个信码的数字单元称为码元，码元的物理表示称为符号。一个码元持续时间称为码元长度。码元中所包含的信息的多少用信息量来衡量，单位为“b（比特）”。在通信系统中规定每1位二进制码元携带1b的信息量，而1位m进制码元所携带辟的信息量为N=log2 m b信息传输的有效性以信息传输速率来衡量。Rb=Rs log2 m b/s,1.数字信号几个表征量,由于传送信道有不同的带宽，有效性还可以“谱效率”来衡量，即每赫兹能传多少
2、信息速率。例如，数字电视地面广播一个信道要传送HDTV或同时传几个SDTV节目所需要的信息速率约为20Mb/s，对于6MHz系统来说其谱效率要达到4b/s/Hz，对于7MHz或8MHz系统要达到3b/s/Hz。,1.数字信号几个表征量,数字信号更能够容忍信噪比的劣化，但对系统相位噪声、相干干扰、周期性干扰和增益压缩等的更加敏感。数字信号表征量在原先模拟系统的基础上带来很多新的变化。数字系统最基本的测量是传输错误率，传输错误率通常用比特误码率（BER）来表示。另外还有一些参数：信号电平、误差矢量幅值（EVM）、调制误码比(MER)、信噪比等。,1）信号电平数字信号的电平与模拟信号的电平不同。对数
3、字信号来说，信号电平就是指有效带宽内射频或中频信号的平均功率电平。数字信号电平可以直接用专用数字信号场强仪（如天津德力DS1191A）或频谱仪测量。在用频谱仪测试时需要注意以下几点：正确连接系统，校准仪器，确保阻抗匹配；调节频谱仪中心频率到被测频道，选择合适的扫宽和电平显示，使频谱仪能够显示整个频道；,1.数字信号几个表征量,1.数字信号几个表征量,1.数字信号几个表征量,2）星座图（Constellation）在QAM调制方式中，同时利用载波的幅度 和相位来表示被调制数据。纵轴矢量“I”串流和横轴矢量“Q”串流可描绘为九十度相位差形成的格子，代表“I”乘“Q”数的可能状态，此格子通常称为“星
4、座图”。星座图中反映了QAM调制技术的两个基本参数，载波的幅度和相位。,1.数字信号几个表征量,3）比特误码率BER(Bit Error Ratio)BER是符号被推挤进入相邻符号范围从而导致那些符号被误解的概率。可用误比特率Pb或误符号率Ps来表示。通常以10的n次方来表示，例如测量得3E-5表示在十万次传送码有3个误码，误码数目在阈值内，可以通过信道编码来纠错，达到E-11以上。,1.数字信号几个表征量,数字信道条件变坏有悬崖效应,1.数字信号几个表征量,4）调制误码比MER（Modulation Error Ratio）数字系统中的调制误码比(MER)，是指平均矢量幅度与误差幅度的有效值
5、的比值，结果以dB表示，MER的值越大代表越好。其定义式为：式中：是各星座点的矢量坐标；是到对应理想星座点的矢量偏差。,1.数字信号几个表征量,1.数字信号几个表征量,式中：是星座点矢量模的均方根值。,MER不仅考虑到幅度噪声，也考虑到相位噪声。测量信号的MER值是判定通路失效边界（系统失效容限）的关键部分。它不象在模拟系统中图像质量会随着载噪比性能的下降明显降低，通常情况下较差的MER对数据传输的影响上并不显著，只有在低于系统MER门限值的情况下，才严重影响数据传输。MER是一个统计测量，其主要局限是不能捕捉到周期性的瞬间的测量。在周期性的干扰下测得的MER可能很好，但BER值却很差。但总的
6、来说MER还是一个很好的反映QAM信号的指针，同时也是一个相当有用的故障排除辅助工具，MER是一个很多传送码的平均值，所以它不像BER是一个判断数据错误的好工具。,1.数字信号几个表征量,5）误差矢量幅值EVM（Error Vector Magnitude）它的定义式为：是发射信号的理想的测量分量I（同相位）和Q（正交相位）（称为基准信号“R”）与实际接收到的测量信号“M”的 I和Q分量幅值之间的矢量差 式中：是各星座点的矢量坐标；是到对应理想星座点的矢量偏差。是最大最远星座点的矢量的模。,1.数字信号几个表征量,EVM表征平均误码量值与最大符号量值的比值，EVM和MER是有一定关系的但又表达
7、同一个信息的两个量，MER比较容易地理解成是一种类似S/N的参数，而EVM则可以理解成类似模拟电路中的波形失真率的一个参数。,1.数字信号几个表征量,6）载噪比CNR（Carrier Noise Ratio）BER和载噪比直接有关。式中：C为数字载波的电平有效值，N为噪声电平均方根值。在数字调制中，往往将载波抑制掉，所传输的信号中不出现载波，载噪比就无从谈起，但是习惯上我们将已调的射频/中频信号的总功率对有效带宽内噪声功率之比，定义为CNR。,1.数字信号几个表征量,1.数字信号几个表征量,7）信噪比SNR（Signal Noise Ratio）信噪比和载噪比密切相关，SNR是解调后视频信号电
8、平与噪声电平之差。,2.信道中在噪声衰落和干扰,1）路径损耗路径损耗PL可以表示为有效发射功率PT和接收到的功率Pr之比，即 PL=10lg(PT/Pr)这个损耗是发射机和接收机彼此相隔的距离的函数，即 PL(d)（d/d0）n式中，n为路径损耗指数，它表明路径损耗是以怎样的速率随距离的增加而增加的；d0为距离基准，由距发射机不远处的测量值选定；d为发射机和接收机相隔的距离。在自由空间中，路径损耗指数为2；对于典型的室外环境，其值为35。在有密集的建筑物或树木的环境中，路径损耗指数可超过8。,2.信道中在噪声衰落和干扰,2）阴影衰落接收到的信号常会受到室外的小山和建筑物，以及室内墙壁的阻隔。事
9、实上，接收到的信号功率是个随机变量，取决于障碍物的数量和电气特性。由于这些障碍物而引起的信号改变称为阴影衰落。,2.信道中在噪声衰落和干扰,3）多径衰落当信号被悬崖或高楼等大的物体反射时，如图8-2所示，就不仅有相位抵消，而且会在直射波和反射波之间有明显的时间差，并会引起失真。这种失真叫做多径失真或多径衰落，是由于发射的信号经不同路径的直射、折射、衍射到达接收机的时间不同而造成的。,2.信道中在噪声衰落和干扰,例如，在城市街道上行驶的汽车，其天线收到的是多次反射的信号，既有阴影衰落又有落，情况很复杂，如图8-3所示。,2.信道中在噪声衰落和干扰,由于路径不同，信号到达接收机的时间就不一样，直接
10、路径（如果有一个的话）的信号最先到达，反射路径的信号后到达。为了算出天线上的瞬时幅度可以画一个如图8-4所示的矢量图，各个多径用它的幅度和相对于直接路径的相位角来表示。若VWG和VEG方向相反，就有可能彼此抵消，合成矢量VEW为零。,2.信道中在噪声衰落和干扰,2.信道中在噪声衰落和干扰,a.平坦衰落如果汽车无线信道在一定带宽Bc内有恒定的增益和线性相位响应，而且这个带宽要大于送信号的带宽Bs，即Bc Bs.么接收的信号会承受平坦衰落。如果信道增益随时间而变，接收到的信号的幅度就会改变，即接收到的信号r(t)的幅度随时间变化。但它的谱R(f)与当初发射信号的谱S(f)一样，即所有S(f)中的频
11、率成分方承受同样的衰减和相移。,2.信道中在噪声衰落和干扰,b.频率选择性衰落如果汽车无线信道在一定带宽内有恒定的增益和线性相位响应，但这个带宽Bc小于传送信号的带宽Bs，那么这个信道会使接收到的信号发生频率选择性衰落。频率选择性衰落信道的特性如图8-7所示。这时S(f)在频带内承受不同的增益和相移。这是由于有多径时延接近或超过传送信号的符号周期，接收到的信号必然会失真。,2.信道中在噪声衰落和干扰,4）多普勒频移多普勒频移fd=/(2t)=(v/)cos上式将多普勒频移和汽车的行驶速度、汽车的运动方向和到达天线的电波的方向之间的角度联系起来。如果汽车沿着电波向着发射机的方向行驶，多普勒频移是
12、正的的，反之则是负的。,发射机发出的载波频率1850MHz，汽车行驶速度26.82 m/s。=c/fc=0.162mf=fc+fd=1850000000+28.82/0.162=1850000166Hzf=fc-fd=1850000000-28.82/0.162=1849999834Hz如果汽车向着远离且垂直于电波来到的方向行驶，则=90，cos=0，所以没有多普勒频移。,2.信道中在噪声衰落和干扰,(1)快衰落在快衰落信道内，符号周期内信道的冲击响应快速变化。这时信道的相干时间Tc小于传送信号的符号周期Ts，即Ts Tc。因为信道的衰落特性将在一个符号周期内改变多次次，从而起基带脉冲波形的失
13、真。这里失真是因为在符号持续时间内，接收信号的谱分量并不能一直保持相关性。(2)慢衰落如果Tc Ts，则信道是慢衰落的，这时信道的相关时间大于符号持续时间，因此信道状态在一个符号持续时间内保持不变，传送的符号就可能不会遭受前面所描述的脉冲失真，如平坦衰落一样。慢衰落信道主要性能降低的原因是信噪比的损失。,2.信道中在噪声衰落和干扰,5)分集接收所谓分集接收，是指接收端按某种方式使它收到的携带同一信源的多个路径信号的衰落特性相互独立，并对多个信号进行特定的处理，以降低合成信号电平起伏，减小各种衰落对接收信号的影响。为了使接收到的两个信号满足相互独立的条件，接收端各接收天线之间的间距应满足d3,2
14、.信道中在噪声衰落和干扰,6)均衡上面提到由于传输系统的传输特性不理想而引起的码间干扰，破坏了不失真的传输条件。为了校正或补偿系统的特性，可以在基带系统中插入一个可调滤波器，减小码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。所谓均衡，是指从校正系统的频率特性出发，使包括均衡器在内的基带系统的总特性满足不失真传输条件。,2.信道中在噪声衰落和干扰,衡常用的做法是在接收滤波器和抽样判决器之间插入一个称之为横向滤波器的可调滤器。它的功能是将输入端抽样时刻上有码间干扰的响应波形变换成抽样时刻上又无码间干扰的响应波形。,3.星座图与信号质量的关系,1）良好的星座图在测试仪器上星座点被很合理的定义和定
15、位在正方形内，表明系统又良好的增益，相噪及调制差错比，如图所示。,3.星座图与信号质量和系统问题的关系,2非连续无规律的噪声干扰（Incoherent Noise Interference）形成云雾状星座图。在实际的网络系统中，QAM信号一直遭受一些如马达、继电器、电力设备与分配网络上的传输装置所产生的随机性噪声干扰。噪声导致所显示的符号落在星座图方框内正常位置的周围，经累积一段时间后，统计一特定方框内所有符号的落点就会形成如云雾状的星座点分布，每个符号表示噪声干扰些微的差异。如果有更多的噪声干扰星座图会显示一些符号超过判断门坎而形成的误码(bit errors)。星座点的伸展表明高噪声和很可
16、能的显著错误，如图所示。,3.星座图与信号质量和系统问题的关系,3）连续有规律性噪声的干扰（Coherent Interference）内调制设备、计算机设备的时基电路以及广播的发射机都可能是连续周期性有规律噪声的干扰来源，在特定方框内所显示的符号形成明显的圆圈图形，表明网络存在相干干扰源，如图所示。,3.星座图与信号质量和系统问题的关系,4）相位噪声（Phase Noise）形成旋转型星座图相位噪声是一段期间振荡器其相对的相位不稳定的情况，如果此振荡器是用于信号处理(例如本地振荡器)，这些相位不稳定会影响在信号上，在信号处理设备内的振荡器在设计上是只会对所处理的信号增加非常微小的相位噪声，然
17、而不良的调制器或处理器可能增加非常可观的相位噪声在信号上，结果在星座图上显示出绕着图形中央旋转的现象，如图9所示。出现这种情况说明系统中出现严重的相位噪声。相位噪声可能是由下/上变频器造成的。,3.星座图与信号质量和系统问题的关系,5）增益压缩（Gain Compression）形成压缩形星座图。增益压缩是在信号传送路径上因有源器件(放大器或信号处理器)过度驱动或不良的有源器件所导致的信号失真，结果在星座图上若显示外部的点被拉进中心而中间的点不受影响，四个角落被扭曲造成四边弯成如弓形的现象，而不是正常的四方形形状，则说明系统中有出现有源器件增益压缩的现象，如图所示。增益压缩可能是由IF和RF放大器或是上、下变频器不良等造成的。,3.星座图与信号质量和系统问题的关系,6）孤立点星座图。星座图上出现一些孤立远离主簇的点表明干扰是周期性的，如图所示。引起周期性干扰可能的因素如下：激光削波，由于模拟同步脉冲的排队造成激光的偶尔过载；被破坏或松散的连接；扫描系统干扰，来自扫描系统的扫描脉冲设置了空谱扫描；颤噪效应，头端设备的数字抖动也能够造成周期性错误。,
