数字通信技术07-1
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15
一、非理想信道对数据传输性能的影响 连接传输符号的接收
数据通信系统的任务是在高斯白噪声环境下 对接收信号进行最佳有效的检测（获得最大输出 信噪比）； 同时又不产生码间串扰（ISI）。（这是较单符 号传输增加的内容）
16
一、非理想信道对数据传输性能的影响 奈奎斯特第一准则
定理：如果信号 Y ( f ) 的频谱满足：
具有静态的非理想特性 具有随机性或时变特性
均衡器的设计方法
对于第一类信道均衡器的设计方法：手动调整或通 过预置方式。 对于第二类信道，自动调整抽头系数。
对于自适应均衡器应注意两个方面问题
自适应准则 自适应的均衡器的跟踪性能
32
三、自适应均衡技术的基本原理
克服自应应均衡器性能指标矛盾一般采用 的方法：
sr (t ) si (t ) n(t ) 如果信道具有理想特性： 恒定幅度的频响特性； 具有线性相位特性。 此时有： r (t ) s (t ) n(t )
i
9
一、非理想信道对数据传输性能的影响 单符号传输的最佳接收
为了实现对信号的最佳检测，在单符号情况下可采
用一有效的方法对接收信号进行处理：最佳接收。
Institute of Communications Engineering
Institute of Communications Engineering
Institute of Communications Engineering
§7.1
均衡的基本原理
内容与要求
内容目的
码间串扰产生的主要原因 均衡器的运用背景 均衡器的基本原理 均衡器的发展历史
n( )h
m
(t ) d
n
n
g ( nTs ) hm (t ) d (t )
13
一、非理想信道对数据传输性能的影响 连接传输符号的接收
在对每一符号采样一个点时，有：
yn y (nTs )
k
I
s
28
二、均衡技术的基本原理
时域均衡器的设计需解决的主要问题
在如何设计冲激响应是 heq (t ) 。
举一简单均衡器设计的例子
均衡器输入信号为：
r (t ) I (t ) h(t ) n(t )
此处：
h(t ) g (t ) c(t )
在接收端需对接收信号进行最佳接收（在信道特性 * 未知情况下，接收匹配滤波器特性应：hm (t ) g (t ) ）
22
一、非理想信道对数据传输性能的影响 数字化技术对斯特第一准则的影响
举例：下图是 / 4DQPSK 基带信号经最佳接收之后 的眼图
特点：
完成了对信号的最佳接收；
实现了无码间串扰传输。
23
一、非理想信道对数据传输性能的影响 在信道冲击响应不是理想时
描述： ( f ) 1 C 则系统的响应为： Y ( w) G( w) H m ( w)C ( w) | G( w) |2 C ( w) 例如一个系统信道非理想产生的冲击响应如下：
K Y ( f T ) Ts K s
则：
| f |
1 2Ts
1，n 0 y (nTb ) 0，n 0
17
一、非理想信道对数据传输性能的影响 奈奎斯特第一准则
物理含意：
幅度
3 Rs 2
R s 2
Rs 2
3 Rs 2
频率
18
一、非理想信道对数据传输性能的影响 数字化技术对奈奎斯特第一准则的影响
自适应均衡器一般包含两种工作模式：训练模式与 跟踪模式。
训练模式 跟踪模式 训练模式 跟踪模式 训练模式
特点（优点）： 训练模式是跟踪模式正常工作的前提 两种模式的结合可以提高均衡器的性能
33
三、自适应均衡技术的基本原理
训练模式 在训练模式中，发射机发射一个已知的、定长的训 练序列，使均衡器可以做出正确的设置。 特点：使自适应均衡器快速达到最佳状态，同时也 可保证精确的结果。 缺点：是浪费有限的信道资源（功率、频带）。
29
二、均衡技术的基本原理
举一简单均衡器设计的例子
y (t ) r (t ) hm (t ) I (t ) g (t ) c(t ) hm (t ) n(t ) hm (t ) I (t ) g (t ) c(t ) g * (t ) n(t ) g * (t ) I (t ) g (t ) c(t ) g * (t ) v(t )
常用两种信号 1 频域具有理想矩形频率特性信号，采样之后频 谱变化过程：
20
一、非理想信道对数据传输性能的影响 数字化技术对斯特第一准则的影响
2
具有升余弦特性的传输信号，采样之后频谱变 化过程：
21
一、非理想信道对数据传输性能的影响
数字化技术对斯特第一准则的影响
无码间串扰的最佳接收 在数字通信系统中，发端信号采用g (t ) 成形函数， 在信道冲击响应为理想情况下： C( f ) 1 则在接收端通过匹配滤波器方式对接收信号进行最 佳检测： hm (t ) g * (t ) 此时接收信号的频谱具有： Y ( w) G( w) H m ( w)C ( w) | G( w) |2 因而在理想信道环境下只要保证| G( w) |2 满足奈奎斯 特第一准则，就可以实现无码间串扰的最佳检测。
对接收信号的抽样分类 符号间隔抽样：采样间隔为 Ts 分数符号间隔抽样：采样间隔为 Ts / n 符号间隔抽样
采样处理实际上是将模拟信号的频谱以 Rs的整 数倍向两边平移、叠加。只要原始的模拟输入信 号满足奈奎斯特第一准则，则在数字域中也可满 足该准则，也可以实现无码间串扰的传输。
19
一、非理想信道对数据传输性能的影响 数字化技术对奈奎斯特第一准则的影响
解决方案——均衡
如何解决信道传输过程中 产生的码间串扰？
均衡途径： 频域均衡 时域均衡
26
一、非理想信道对数据传输性能的影响 举例
有一1.25Gbps的高速信道，在不采用均衡器之前， 而只采用了“匹配”滤波器，在无噪声环境下的接收眼 图如下图所示：
27
一、非理想信道对数据传输性能的影响 举例
在接收端，通过采用均衡技术之后，接收眼图的性 能如下：
失真原因 失真原因
接收脉冲 接收脉冲
电话2
信息速率的不断提高，产生了新的问题：码间串扰
7
一、非理想信道对数据传输性能的影响
提问 码间串扰对系统数据传输将产生什么样的影响？
对系统性能的影响
1影响Biblioteka 统的传输速率影响系统的功率性能
2
8
一、非理想信道对数据传输性能的影响 单符号传输的最佳接收
一般信道 数字通信的发送端在信号集 {s1 (t ), s2 (t ), , sM (t )} 中随机选择一信号 s (t )作为其发送信号，经过信道之后， i 由于各方面的原因使接收信号产生失真。有：
24
一、非理想信道对数据传输性能的影响 在信道冲击响应不是理想时
产生的问题：
因为不满足奈奎斯特第一准则，从而产生码间 串扰；
同时也不满足最佳检测准则。
产生信道非理想的原因：
信道特性的变化、设计制造的误差。 具有多径信道产生码间串扰。 由于信道的动态变化。
25
一、非理想信道对数据传输性能的影响 纠正方法
要求
了解码间串扰产生的主要原因 熟悉均衡器的主要运用背景 掌握均衡器的基本原理 了解均衡器中的关键技术与发展历史
3
一、非理想信道对数据传输性能的影响 示例
通过电话线传输数据信号的物理现象
发送脉冲
接收脉冲
电话1
电话线
电话2
4
一、非理想信道对数据传输性能的影响 示例
抽象之后的理论模型
后沿失真 前沿失真
k
g ( kTs )hm (nTs )d (nTs )d n )d n
n( )h
m
(nT )d
k
I g ( kT )h
k k s
m
k
I g ( kT ) g (nT
36
四、关键（主要）技术（或问题）与发展 自适应均衡器的研究历史
s t s* ) dt () (t
n )t s* )t dt ( (
Es nk
在该环境下的设计要求（所关心的问题）：
噪声对性能的影响
11
一、非理想信道对数据传输性能的影响 连接传输符号的接收
接收模型
r (t )
hm (t ) g ( t )
*
y (t )
以PAM为例，发送信号为：
最佳接收的目的可使下面性能之一达到最佳：
输出信噪比达到最大。
数字信道误码率达到最小。
其它性能达到最佳。
10
一、非理想信道对数据传输性能的影响 单符号传输的最佳接收
在使输出信噪比达到最大的情况下，接收端对接收
信号进行如下处理（相关检测方式）：
y0
r (t) s*( t) dt
跟踪模式 接收用户数据时，均衡器的自适应算法就可以跟踪 不断变化的信道特性。 特点：获取较好的跟踪性能，一般跟踪速率较慢 优点：不会浪费信道的资源
34
四、关键（主要）技术（或问题）与发展 在自适应均衡器中，以下技术是需要重点 关心：
信道模型
自适应滤波器的结构
自适应滤波器算法
自适应均衡器的性能分析
35
四、关键（主要）技术（或问题）与发展 自适应均衡器的研究历史
1966年由勒基（Lucky）首次采用峰值失真准则设 计了最佳化的线性均衡器。勒基的工作是开创性的， 他的研究导致了在这之后五年内高速MODEM研制 的快速发展。 在1967年由奥斯丁（Austin）提出了判决反馈均 衡器设计理论，对这一技术的研究一直持续到九十 年代初。 基于最大似然序列估值的Viterbi算法运用到数字通 信均衡方面首先由福尼（Forney）在1972进行了 研究。在这一方面昂格伯克（Ungerkoeck）也进 行有益的探索。
communicationsengineeringinstitutecommunicationsengineeringinstitutecommunicationsengineering码间串扰产生的主要原因均衡器的运用背景均衡器的基本原理均衡器的发展历史了解码间串扰产生的主要原因熟悉均衡器的主要运用背景掌握均衡器的基本原理了解均衡器中的关键技术与发展历史一非理想信道对数据传输性能的影响示例通过电话线传输数据信号的物理现象通过电话线传输数据信号的物理现象电话线发送脉冲电话1电话2接收脉冲一非理想信道对数据传输性能的影响示例抽象之后的理论模型抽象之后的理论模型电话1电话2电话线等效传输模型发送脉冲接收脉冲前沿失真后沿失真失真原因一非理想信道对数据传输性能的影响示例在极低速率环境下的应用在极低速率环境下的应用电话1电话2电话线等效传输模型发送脉冲接收脉冲失真原因这一失真与信息速率无关只与传输介质有关一非理想信道对数据传输性能的影响示例增加速率之后的物理现象增加速率之后的物理现象信息速率的不断提高产生了新的问题
均衡器的输出(采用线性均衡滤波器)： ˆ y (t ) y (t ) heq (t ) v(t ) heq (t )
I (t ) g (t ) c(t ) g * (t ) heq (t ) v(t ) heq (t ) 直观准则：为了使均衡器的期望输出值为原始信 息 I (t ) ；
*
s
k
I
k n k
x
n
定义：
xn k
14
g ( kTs ) g * (nTs )d
一、非理想信道对数据传输性能的影响 连接传输符号的接收
有：
yn I n x0
k k n
I
k nk
x
n
检测器输出三项内容 第一项：待接收符号通过信道传输，在接收端 经匹配滤波之后的输出数值； 第二项：该符号前后码元对当前码元的影响 （称之为ISI）； 第三项：信道噪声在接收端的输出。
n
I g (t nT ) n(t )
n s
经过匹配滤波之后，有：
y (t ) r (t ) hm (t )
r ( )h
m
(t ) d
n
I I
n
g ( nTs )hm (t ) d
发送脉冲 电话线等效 传输模型 接收脉冲 电话2
电话1
失真原因
5
一、非理想信道对数据传输性能的影响 示例
在极低速率环境下的应用
这一失真与信息速率无 关，只与传输介质有关
发送脉冲 电话1 电话线等效 传输模型
接收脉冲
电话2
失真原因
6
一、非理想信道对数据传输性能的影响 示例
增加速率之后的物理现象
发送脉冲 电话1 电话线等效 传输模型
s(t ) I 1 g (t Ts ) I 0 g (t ) I1 g (t Ts ) I 2 g (t 2Ts )
n
I g (t nT )
n s
12
一、非理想信道对数据传输性能的影响 连接传输符号的接收
接收信号：
r (t ) s(t ) n(t )
30
二、均衡技术的基本原理
举一简单均衡器设计的例子
时域实现：
q(t ) g (t ) c(t ) g * (t ) heq (t ) (t )
频域实现：
G ( f ) C ( f ) H eq ( f ) 1
2
31
三、自适应均衡技术的基本原理
实际信道非理想性的两种状态
一、非理想信道对数据传输性能的影响 连接传输符号的接收
数据通信系统的任务是在高斯白噪声环境下 对接收信号进行最佳有效的检测（获得最大输出 信噪比）； 同时又不产生码间串扰（ISI）。（这是较单符 号传输增加的内容）
16
一、非理想信道对数据传输性能的影响 奈奎斯特第一准则
定理：如果信号 Y ( f ) 的频谱满足：
具有静态的非理想特性 具有随机性或时变特性
均衡器的设计方法
对于第一类信道均衡器的设计方法：手动调整或通 过预置方式。 对于第二类信道，自动调整抽头系数。
对于自适应均衡器应注意两个方面问题
自适应准则 自适应的均衡器的跟踪性能
32
三、自适应均衡技术的基本原理
克服自应应均衡器性能指标矛盾一般采用 的方法：
sr (t ) si (t ) n(t ) 如果信道具有理想特性： 恒定幅度的频响特性； 具有线性相位特性。 此时有： r (t ) s (t ) n(t )
i
9
一、非理想信道对数据传输性能的影响 单符号传输的最佳接收
为了实现对信号的最佳检测，在单符号情况下可采
用一有效的方法对接收信号进行处理：最佳接收。
Institute of Communications Engineering
Institute of Communications Engineering
Institute of Communications Engineering
§7.1
均衡的基本原理
内容与要求
内容目的
码间串扰产生的主要原因 均衡器的运用背景 均衡器的基本原理 均衡器的发展历史
n( )h
m
(t ) d
n
n
g ( nTs ) hm (t ) d (t )
13
一、非理想信道对数据传输性能的影响 连接传输符号的接收
在对每一符号采样一个点时，有：
yn y (nTs )
k
I
s
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二、均衡技术的基本原理
时域均衡器的设计需解决的主要问题
在如何设计冲激响应是 heq (t ) 。
举一简单均衡器设计的例子
均衡器输入信号为：
r (t ) I (t ) h(t ) n(t )
此处：
h(t ) g (t ) c(t )
在接收端需对接收信号进行最佳接收（在信道特性 * 未知情况下，接收匹配滤波器特性应：hm (t ) g (t ) ）
22
一、非理想信道对数据传输性能的影响 数字化技术对斯特第一准则的影响
举例：下图是 / 4DQPSK 基带信号经最佳接收之后 的眼图
特点：
完成了对信号的最佳接收；
实现了无码间串扰传输。
23
一、非理想信道对数据传输性能的影响 在信道冲击响应不是理想时
描述： ( f ) 1 C 则系统的响应为： Y ( w) G( w) H m ( w)C ( w) | G( w) |2 C ( w) 例如一个系统信道非理想产生的冲击响应如下：
K Y ( f T ) Ts K s
则：
| f |
1 2Ts
1，n 0 y (nTb ) 0，n 0
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一、非理想信道对数据传输性能的影响 奈奎斯特第一准则
物理含意：
幅度
3 Rs 2
R s 2
Rs 2
3 Rs 2
频率
18
一、非理想信道对数据传输性能的影响 数字化技术对奈奎斯特第一准则的影响
自适应均衡器一般包含两种工作模式：训练模式与 跟踪模式。
训练模式 跟踪模式 训练模式 跟踪模式 训练模式
特点（优点）： 训练模式是跟踪模式正常工作的前提 两种模式的结合可以提高均衡器的性能
33
三、自适应均衡技术的基本原理
训练模式 在训练模式中，发射机发射一个已知的、定长的训 练序列，使均衡器可以做出正确的设置。 特点：使自适应均衡器快速达到最佳状态，同时也 可保证精确的结果。 缺点：是浪费有限的信道资源（功率、频带）。
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二、均衡技术的基本原理
举一简单均衡器设计的例子
y (t ) r (t ) hm (t ) I (t ) g (t ) c(t ) hm (t ) n(t ) hm (t ) I (t ) g (t ) c(t ) g * (t ) n(t ) g * (t ) I (t ) g (t ) c(t ) g * (t ) v(t )
常用两种信号 1 频域具有理想矩形频率特性信号，采样之后频 谱变化过程：
20
一、非理想信道对数据传输性能的影响 数字化技术对斯特第一准则的影响
2
具有升余弦特性的传输信号，采样之后频谱变 化过程：
21
一、非理想信道对数据传输性能的影响
数字化技术对斯特第一准则的影响
无码间串扰的最佳接收 在数字通信系统中，发端信号采用g (t ) 成形函数， 在信道冲击响应为理想情况下： C( f ) 1 则在接收端通过匹配滤波器方式对接收信号进行最 佳检测： hm (t ) g * (t ) 此时接收信号的频谱具有： Y ( w) G( w) H m ( w)C ( w) | G( w) |2 因而在理想信道环境下只要保证| G( w) |2 满足奈奎斯 特第一准则，就可以实现无码间串扰的最佳检测。
对接收信号的抽样分类 符号间隔抽样：采样间隔为 Ts 分数符号间隔抽样：采样间隔为 Ts / n 符号间隔抽样
采样处理实际上是将模拟信号的频谱以 Rs的整 数倍向两边平移、叠加。只要原始的模拟输入信 号满足奈奎斯特第一准则，则在数字域中也可满 足该准则，也可以实现无码间串扰的传输。
19
一、非理想信道对数据传输性能的影响 数字化技术对奈奎斯特第一准则的影响
解决方案——均衡
如何解决信道传输过程中 产生的码间串扰？
均衡途径： 频域均衡 时域均衡
26
一、非理想信道对数据传输性能的影响 举例
有一1.25Gbps的高速信道，在不采用均衡器之前， 而只采用了“匹配”滤波器，在无噪声环境下的接收眼 图如下图所示：
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一、非理想信道对数据传输性能的影响 举例
在接收端，通过采用均衡技术之后，接收眼图的性 能如下：
失真原因 失真原因
接收脉冲 接收脉冲
电话2
信息速率的不断提高，产生了新的问题：码间串扰
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一、非理想信道对数据传输性能的影响
提问 码间串扰对系统数据传输将产生什么样的影响？
对系统性能的影响
1影响Biblioteka 统的传输速率影响系统的功率性能
2
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一、非理想信道对数据传输性能的影响 单符号传输的最佳接收
一般信道 数字通信的发送端在信号集 {s1 (t ), s2 (t ), , sM (t )} 中随机选择一信号 s (t )作为其发送信号，经过信道之后， i 由于各方面的原因使接收信号产生失真。有：
24
一、非理想信道对数据传输性能的影响 在信道冲击响应不是理想时
产生的问题：
因为不满足奈奎斯特第一准则，从而产生码间 串扰；
同时也不满足最佳检测准则。
产生信道非理想的原因：
信道特性的变化、设计制造的误差。 具有多径信道产生码间串扰。 由于信道的动态变化。
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一、非理想信道对数据传输性能的影响 纠正方法
要求
了解码间串扰产生的主要原因 熟悉均衡器的主要运用背景 掌握均衡器的基本原理 了解均衡器中的关键技术与发展历史
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一、非理想信道对数据传输性能的影响 示例
通过电话线传输数据信号的物理现象
发送脉冲
接收脉冲
电话1
电话线
电话2
4
一、非理想信道对数据传输性能的影响 示例
抽象之后的理论模型
后沿失真 前沿失真
k
g ( kTs )hm (nTs )d (nTs )d n )d n
n( )h
m
(nT )d
k
I g ( kT )h
k k s
m
k
I g ( kT ) g (nT
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四、关键（主要）技术（或问题）与发展 自适应均衡器的研究历史
s t s* ) dt () (t
n )t s* )t dt ( (
Es nk
在该环境下的设计要求（所关心的问题）：
噪声对性能的影响
11
一、非理想信道对数据传输性能的影响 连接传输符号的接收
接收模型
r (t )
hm (t ) g ( t )
*
y (t )
以PAM为例，发送信号为：
最佳接收的目的可使下面性能之一达到最佳：
输出信噪比达到最大。
数字信道误码率达到最小。
其它性能达到最佳。
10
一、非理想信道对数据传输性能的影响 单符号传输的最佳接收
在使输出信噪比达到最大的情况下，接收端对接收
信号进行如下处理（相关检测方式）：
y0
r (t) s*( t) dt
跟踪模式 接收用户数据时，均衡器的自适应算法就可以跟踪 不断变化的信道特性。 特点：获取较好的跟踪性能，一般跟踪速率较慢 优点：不会浪费信道的资源
34
四、关键（主要）技术（或问题）与发展 在自适应均衡器中，以下技术是需要重点 关心：
信道模型
自适应滤波器的结构
自适应滤波器算法
自适应均衡器的性能分析
35
四、关键（主要）技术（或问题）与发展 自适应均衡器的研究历史
1966年由勒基（Lucky）首次采用峰值失真准则设 计了最佳化的线性均衡器。勒基的工作是开创性的， 他的研究导致了在这之后五年内高速MODEM研制 的快速发展。 在1967年由奥斯丁（Austin）提出了判决反馈均 衡器设计理论，对这一技术的研究一直持续到九十 年代初。 基于最大似然序列估值的Viterbi算法运用到数字通 信均衡方面首先由福尼（Forney）在1972进行了 研究。在这一方面昂格伯克（Ungerkoeck）也进 行有益的探索。
communicationsengineeringinstitutecommunicationsengineeringinstitutecommunicationsengineering码间串扰产生的主要原因均衡器的运用背景均衡器的基本原理均衡器的发展历史了解码间串扰产生的主要原因熟悉均衡器的主要运用背景掌握均衡器的基本原理了解均衡器中的关键技术与发展历史一非理想信道对数据传输性能的影响示例通过电话线传输数据信号的物理现象通过电话线传输数据信号的物理现象电话线发送脉冲电话1电话2接收脉冲一非理想信道对数据传输性能的影响示例抽象之后的理论模型抽象之后的理论模型电话1电话2电话线等效传输模型发送脉冲接收脉冲前沿失真后沿失真失真原因一非理想信道对数据传输性能的影响示例在极低速率环境下的应用在极低速率环境下的应用电话1电话2电话线等效传输模型发送脉冲接收脉冲失真原因这一失真与信息速率无关只与传输介质有关一非理想信道对数据传输性能的影响示例增加速率之后的物理现象增加速率之后的物理现象信息速率的不断提高产生了新的问题
均衡器的输出(采用线性均衡滤波器)： ˆ y (t ) y (t ) heq (t ) v(t ) heq (t )
I (t ) g (t ) c(t ) g * (t ) heq (t ) v(t ) heq (t ) 直观准则：为了使均衡器的期望输出值为原始信 息 I (t ) ；
*
s
k
I
k n k
x
n
定义：
xn k
14
g ( kTs ) g * (nTs )d
一、非理想信道对数据传输性能的影响 连接传输符号的接收
有：
yn I n x0
k k n
I
k nk
x
n
检测器输出三项内容 第一项：待接收符号通过信道传输，在接收端 经匹配滤波之后的输出数值； 第二项：该符号前后码元对当前码元的影响 （称之为ISI）； 第三项：信道噪声在接收端的输出。
n
I g (t nT ) n(t )
n s
经过匹配滤波之后，有：
y (t ) r (t ) hm (t )
r ( )h
m
(t ) d
n
I I
n
g ( nTs )hm (t ) d
发送脉冲 电话线等效 传输模型 接收脉冲 电话2
电话1
失真原因
5
一、非理想信道对数据传输性能的影响 示例
在极低速率环境下的应用
这一失真与信息速率无 关，只与传输介质有关
发送脉冲 电话1 电话线等效 传输模型
接收脉冲
电话2
失真原因
6
一、非理想信道对数据传输性能的影响 示例
增加速率之后的物理现象
发送脉冲 电话1 电话线等效 传输模型
s(t ) I 1 g (t Ts ) I 0 g (t ) I1 g (t Ts ) I 2 g (t 2Ts )
n
I g (t nT )
n s
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一、非理想信道对数据传输性能的影响 连接传输符号的接收
接收信号：
r (t ) s(t ) n(t )
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二、均衡技术的基本原理
举一简单均衡器设计的例子
时域实现：
q(t ) g (t ) c(t ) g * (t ) heq (t ) (t )
频域实现：
G ( f ) C ( f ) H eq ( f ) 1
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三、自适应均衡技术的基本原理
实际信道非理想性的两种状态