一種用于BPSK編碼長線傳輸的局部預加重方法

孫華娟，顏曉紅，郝學元

(南京郵電大學電子科學與工程學院，江蘇南京 210003)

基帶信號在長纜中高速率傳輸時，受信道的趨附效應、介電損耗及低通特性等非理想特征的影響嚴重，導致信號高頻成分衰減，使接收端很難恢復信號，從而大大降低信號的傳輸速率。均衡技術包括發送端的預加重和接收端的后均衡，它們可以補償濾波器傳輸或接收端波形的頻率相關衰減。傳統幅度預加重技術需要太多電路元器件，電路實現復雜，此外信號幅度的增加又增大了電磁干擾和噪聲容限，影響傳輸質量［1］。Nauta提出的脈沖寬度調制(PWM)預加重電路，需要較高的時鐘頻率，消耗更多的電源能量，不適合低功率系統的應用［2］。本文介紹一種基于脈沖寬度調制的局部預加重方法，降低功率損耗，有效補償高頻衰減。通過對BPSK編碼信號的脈沖寬度調制實現信號的時域預加重，找出編碼中的最佳PWM預加重位置，進行局部預加重，運用Simulink這一動態系統領域的建模和仿真工具，從眼圖直觀驗證傳輸質量。

1 長纜信道模型和碼間干擾

圖1 低通信道的幅頻響應

信號的傳輸速率增加以后，由于實際信道帶寬有限且具有非理想性，導致信號在頻域上產生線性失真，在時域上波形發生時散效應［3］，從而產生碼間干擾現象，如圖2所示，即每個碼元的“拖尾”造成了對相鄰碼元的串擾。它會限制數據速率，降低接收端信號質量，縮短傳輸距離。

圖2 碼間干擾

2 BPSK編碼的脈沖寬度調制(PWM)預加重技術

2.1 BPSK編碼生成

二進制移相鍵控(BPSK)是一種常用的數字信號調制方式，廣泛用于衛星、微波通信、廣播電視等諸多領域。當正弦隨機二進制數字基帶信號離散變化時，則產生二進制移相鍵控信號。采用BPSK作為信源發送編碼，如圖3所示。

圖3 BPSK編碼

2.2PWM預加重技術的原理

傳統的幅度域預加重電路需要許多電路元器件，實施起來也比較復雜。所以本文提出另一種基于時域對編碼信號進行脈沖寬度調制的方法，脈沖寬度調制預加重(PWM)幅度和符號時間(Ts)都是固定的，而脈沖時間寬度可變。d是占空比，對于一階低通信道，占空比是一個基于符號時間Ts和信道恒定參數Tch的函數［4－6］。

脈沖寬度調制(PWM)預加重的實現原理如圖4所示。通過輸入數據Data In和脈沖寬度調制時鐘PWM Clk進行異或運算得到時域預加重數據PE－Out。PWM Clk是通過輸入時鐘Clk和一個延遲電路delay進行或門邏輯運算形成的［4］。本文選用Xilinx－FPGA中DCM模塊(即IP核)完成延時電路部分，在Xlinx時鐘向導的建立窗口中進行配置，如圖5所示。在Input Clock Frequency輸入欄中敲入輸入時鐘的頻率或周期，單位分別是MHz和ns，在Phase Shift輸入欄中敲入適當相位，其余保持默認值。

圖4 PWM預加重波形(延時為0)

圖5 延遲電路

選用一段PE－Out預加重信號處理，對于P1低頻脈沖，這個脈沖寬度是窄低頻脈沖的2倍，保持后半部分的信號不變，在前半部分加上PWM CLK1;同樣，對于P2高頻脈沖，它也是窄高頻脈沖的2倍，在它的前半部分加上PWM CLK2，如圖6、圖7所示。按照這種方法，在寬高頻脈沖和寬低頻脈沖的前、中、后部分分別加上PWM CLK，觀察眼圖結果，找出最佳預加重位置，使得信號獲得良好的傳輸效果。

圖6 PWM CLK調制

圖7 PWM預加重

2.3 Simulink動態仿真

在學術界和工業領域，Simulink已成為在動態系統領域建模和仿真方面應用最廣泛的軟件包之一。在Simulink環境中，利用鼠標在模型窗口中直觀地“畫”出系統模型，直接進行仿真［7］。

1)前半部分PWM預加重

經過前半部分PWM預加重，從接收端判決器的恢復波形結果觀察，存在碼間干擾造成的信號誤判，如圖8所示。

圖8 前半部分PWM預加重波形

2)中間部分PWM預加重

經過中間部分PWM預加重，從接收端判決器的恢復波形結果觀察，恢復信號與發送信號大體一致，但是在PWM CLK位置上，接收端不能正確判決，帶來信號部分失真，影響接收效果，如圖9所示。

圖9 中間部分PWM預加重波形

3)后半部分PWM預加重

經過后半部分PWM預加重，從接收端判決器的恢復波形結果觀察，較發送波形只有延遲，由此可見后半部分PWM預加重更能極好地恢復信號，如圖10所示。

4)各部分眼圖對比

圖10 后半部分PWM預加重波形

圖11 預加重眼圖

從圖11中的眼圖結果來看，沒有進行預加重處理的發送波形，在接收端的眼圖是雜亂無章的，碼間干擾嚴重，傳輸效果不理想。前半部分預加重波形重合度較低，說明碼間干擾較嚴重，預加重效果不理想。中間部分預加重波形重合度較高，碼間干擾較小，但其中部分眼圖含有幅度較小的成分，在接收端難于判決。后半部分預加重波形重合度較高，眼圖更清晰，預加重的效果相比前半部分和中間部分預加重更好。因此，對BPSK傳輸信號而言，后端預加重效果較好。

3 結束語

基于PWM預加重技術，本文詳細敘述了一種適用于BPSK編碼遠距離傳輸的PWM局部預加重方法。對發送信號分別在P1低頻脈沖和P2高頻脈沖的前半部分、中間部分和后半部分位置上加PWM CLK，對比接收端的判決結果，后半部分預加重的接收端能準確恢復信號，眼圖清晰，效果好。運用Simulink動態仿真軟件作為輔助工具，使研究結果得到很好驗證，在BPSK后半部分進行PWM局部預加重技術可以消除碼間干擾，提高傳輸速率和系統質量。

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