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5.4 PAM 信号通过限带信道传输

杨鸿文 主编(北京邮电大学通信原理课程组)北京邮电大学出版社《通信原理(第5版)》大学本科 · 教材与微课双语助读 (Alt+Y)

实际通信信道(如电话线双绞线、微波接力信道、卫星信道及光纤信道)均为带宽受限信道(Band-Limited Channels)。当数字基带信号通过限带系统时,由于有限带宽滤波器的冲激响应在时域具有无限延伸的拖尾振荡,前后期符号的脉冲波形会在时间上彼此重叠交织,在抽样判决时刻产生严重的码间干扰(Inter-Symbol Interference, ISI)。


图 5.4.1 给出了数字 PAM 基带传输系统的通用数学模型。

flowchart LR
    src["离散幅度序列 $$\{a_n\}$$"] --> txFilter["发送滤波器\n$$G_T(f)$$"]
    txFilter -->|"$$s(t)$$"| chan["限带信道\n$$C(f)$$"]
    chan --> add(("+"))
    nw["$$n_w(t)$$"] --> add
    add -->|"$$r(t)$$"| rxFilter["接收滤波器\n$$G_R(f)$$"]
    rxFilter -->|"$$y(t)$$"| sampler["抽样判决器\n$$t = m T_s$$"]
    sampler --> out["判决输出 $$\\hat{a}_m$$"]

图 5.4.1 数字 PAM 基带传输系统框图

图 5.4.1 数字 PAM 基带传输系统框图(原书影印参考)

系统的整体等效基带冲激响应 x(t) 为发送滤波器、信道及接收滤波器的级联卷积:

x(t) = g_T(t) * c(t) * g_R(t) (5.4.8)

其总频域传递函数为:

X(f) = G_T(f) C(f) G_R(f) (5.4.13)

接收低通滤波器的输出信号为:

y(t) = ∑ₙ=-∞^∞ aₙ x(t - n Tₛ) + Y(t) (5.4.7)

其中 Y(t) = n_w(t) * g_R(t) 为滤波后的加性高斯噪声。在抽样时刻 t = m Tₛ 进行采样,瞬时采样值为:

yₘ = y(m Tₛ) = x₀ aₘ + ∑ₙ ≠ m aₙ xₘ-n + Yₘ (5.4.11)

其中 xₖ = x(k Tₛ),Yₘ = Y(m Tₛ)。式 (5.4.11) 明确将采样值分解为三项:

  1. x₀ aₘ:第 m 个当前符号的有用信号成分;
  2. ∑ₙ ≠ m aₙ xₘ-n:除当前符号外,其余所有前后符号脉冲在 t = m Tₛ 产生的拖尾响应之和,即码间干扰(ISI);
  3. Yₘ:抽样时刻的加性高斯噪声。

5.4.2 无 ISI 传输的奈奎斯特第一准则

Section titled “5.4.2 无 ISI 传输的奈奎斯特第一准则”

为完全消除码间干扰(使第二项恒等于 0),总冲激响应 x(t) 必须在当前符号抽样时刻取得峰值,而在所有其他符号抽样时刻严格过零:

x(n Tₛ) = 1, & n = 0 0, & n ≠ 0 (5.4.16)
奈奎斯特第一准则(时域无 ISI 的频域充要条件)

基带传输系统总冲激响应满足时域无码间干扰条件式 (5.4.16) 的充分必要条件是其总传递函数 X(f) 满足:

∑ₘ=-∞^∞ X(f + (m)/(Tₛ)) = Tₛ (5.4.17)

物理意义:将总传输特性 X(f) 在频率轴上按符号速率 Rₛ = 1/Tₛ 间隔进行周期延拓叠加后,必须恒等于常数 Tₛ(平坦无起伏响应)。

数学证明: 对式 (5.4.17) 两端做傅里叶反变换:

∑ₘ=-∞^∞ mathcalF⁻1{X(f + (m)/(Tₛ))} = x(t)∑ₘ=-∞^∞ e⁻j2π m t / Tₛ

利用泊松求和公式 (1)/(Tₛ)∑ₘ=-∞^∞ e⁻j2π m t / Tₛ = ∑ₙ=-∞^∞ δ(t - n Tₛ),上式等价于:

x(t) · Tₛ ∑ₙ=-∞^∞ δ(t - n Tₛ) = Tₛ ∑ₙ=-∞^∞ x(n Tₛ)δ(t - n Tₛ) = Tₛ δ(t)

比较两端冲激加权系数,当且仅当 x(0) = 1 且 n ≠ 0 时 x(n Tₛ) = 0 时等式恒成立。证毕。


设系统的物理截止频率为 W,根据符号间隔 Tₛ 与信道带宽 W 的关系,分为三种情况:

1. Tₛ < (1)/(2W)(符号速率 Rₛ > 2W)

Section titled “1. Tₛ < (1)/(2W)Ts​<2W1​(符号速率 Rₛ > 2WRs​>2W)”

频谱搬移间隔 1/Tₛ > 2W。由于 X(f) 的单边带宽仅为 W,相邻搬移谱之间存在空白间隙,周期叠加函数 Z(f) 无法填满为常数 Tₛ,如图 5.4.2 所示。因此在该速率下物理上不可能实现无码间干扰传输。

图 5.4.2 T_s < 1/(2W) 情况下的 Z(f) 曲线

图 5.4.2 T_s < 1/(2W) 情况下的 Z(f) 曲线(原书影印参考)

2. Tₛ = (1)/(2W)(奈奎斯特速率 Rₛ = 2W)

Section titled “2. Tₛ = (1)/(2W)Ts​=2W1​(奈奎斯特速率 Rₛ = 2WRs​=2W)”

周期延拓刚好严丝合缝紧密拼接,如图 5.4.3 所示。满足准则的唯一解是理想低通滤波器(Brick-wall Lowpass Filter):

X(f) = Tₛ, & |f| ≤slant W 0, & |f| > W (5.4.23)

对应的时域冲激响应为:

x(t) = operatornamesinc(2Wt) = (sin(2π W t))/(2π W t) (5.4.24)

图 5.4.3 T_s = 1/(2W) 情况下的 Z(f) 曲线

图 5.4.3 T_s = 1/(2W) 情况下的 Z(f) 曲线(原书影印参考)
  • 奈奎斯特速率:系统无 ISI 传输的最大理论符号速率为 Rₛ,max = 2W;
  • 奈奎斯特带宽:传输速率为 Rₛ 时所需的最小无 ISI 理论带宽为 W_(min) = Rₛ / 2;
  • 极限频带利用率:ηₛ,max = Rₛ / W = 2 Baud/Hz。

工程致命缺陷:

  1. 理想矩形特性具有无限陡峭的垂直边缘,在物理上绝对不可实现;
  2. operatornamesinc(t) 脉冲尾部的振荡拖尾衰减极其缓慢(按 1/t 衰减)。当接收端抽样定时存在微小抖动误差时,各符号尾波叠加可能发散,造成极其严重的码间串扰。

3. Tₛ > (1)/(2W)(符号速率 Rₛ < 2W 与升余弦滚降)

Section titled “3. Tₛ > (1)/(2W)Ts​>2W1​(符号速率 Rₛ < 2WRs​<2W 与升余弦滚降)”

周期延拓产生重叠区域,如图 5.4.4 所示。只要重叠过渡带满足奇对称互补条件,即可实现无 ISI。工程中最著名、应用最广的实现是升余弦滚降滤波器(Raised Cosine Filter)。

图 5.4.4 T_s > 1/(2W) 时的 Z(f) 曲线

图 5.4.4 T_s > 1/(2W) 时的 Z(f) 曲线(原书影印参考)
升余弦滚降滤波器传输特性与时域脉冲

升余弦滤波器的频域传递函数为:

X(f) = Tₛ, & 0 ≤slant |f| ≤slant (1 - α)/(2Tₛ) (Tₛ)/(2){1 + cos[(π Tₛ)/(α)(|f| - (1 - α)/(2Tₛ))]}, & (1 - α)/(2Tₛ) < |f| ≤slant (1 + α)/(2Tₛ) 0, & |f| > (1 + α)/(2Tₛ) (5.4.25)

其中 α ∈ [0, 1] 称为滚降因子(Roll-off Factor)。系统总绝对截止带宽为:

W = (1 + α)/(2Tₛ) = (1 + α)/(2)Rₛ

对应的时域总冲激响应为:

x(t) = operatornamesinc((t)/(Tₛ)) (cos((πα t)/(Tₛ)))/(1 - (4α² t²)/(Tₛ²)) (5.4.26)

图 5.4.5 升余弦滤波器的特性(alpha 为滚降因子)

图 5.4.5 升余弦滤波器的特性(alpha 为滚降因子)(原书影印参考)

从图 5.4.5 可以看出升余弦滚降滤波器的巨大工程优势:

  • 时域拖尾按 1/t³ 快速衰减(比 operatornamesinc 快两个数量级),极大地减轻了抽样定时抖动引起的码间串扰敏感性;
  • 当 α = 0 时,退化为理想低通滤波器(带宽 W = Rₛ/2,利用率 2 Baud/Hz);
  • 当 α = 1 时(全升余弦滚降),绝对带宽为 W = Rₛ,频带利用率为 1 Baud/Hz。
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