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1、部分响应原理及其应用日渡边孝次郎在脉冲传输过程中,一般都不希望码元之间的千扰,消除这种干扰曾成为脉冲传输技术的主要研究 目标之一。与此相反,也有特意利用这种干扰的编码形式,例如部分响应。所谓部分响应就是有意地附加码元之间的干扰,其结果使得传输信号的性质与传输线路的特性相适应。本文即介绍部分响应原理的提出、定义、分类以及所存在的向题与应用事例等。部分响应是一词的直译,但该术语并未明确表达出其含意。所谓部分响应是脉冲传输技术的一个新概念以及基于它的传输方式。自从奈奎斯特奠定脉冲传输技术的基础以来,该技术的发展一直都是尽力消除由脉冲重叠而引起的码元干扰并尽可能提高传输效率。最近,由于自动均衡技术的发
2、展,上述目标虽然大体上可以达到,但在 自动均衡技术达到实用化以前,要消除码间千扰并提高传输速度还须克服一些障碍。因此,基于以上的 目标,出现了、种抛弃所谓的消除部分码元间干扰条件的提高传输速度的方法。这就是部分响应。部分响应的想法是允许可以控制的码元之间的千扰,并巧妙的利用码元间干扰的特性,而达到提高传输效率的效果。习惯上对这种概念有种种名称,它是一种包括码元变换的范围广泛的概念。另外,还明确了它除了可以提高传输速度之外,还有许多其它特性。本文首先介绍一下脉冲传输技术的基础,接着叙述部分响应原理出现的经过及其优、缺点,说明部分响应的一般构造,最后举出它在脉码调制、数据传输和磁记录方面的应用,并
3、介绍部分响应原理的机理。“”信息,或者是声音或图像等模拟信号的用“了、“”数字表现的取样值。陆续输人到传输系统来的这种二进制信息的序列,一,以后,时间序列用表示通常变换为满足传输上种种要 求的其它序列,。编码器即可完成此种功能,例如可将信息序列按一定的规则附加以冗余度,从而具有撞制差错的性质,另外,对于在声音和图像信息中所含的冗余度则加以去除,以提高传输效率同时还可将二进制信息变换成多进制码元,以增加信息传输速度,或者是将通过调制器向传输线路输出的信号颇谱变成适合于传输的形式。本文叙述的部分响应主要是和最后的功能有密切关系。解解调器器一、脉冲传输的基础作为本文的预备知识,有必要先对脉冲传输的基
4、础作一些说明。一脉冲传输系统的模型由于脉冲传输有各种各样的形式,而且其中还包含复杂的功能,所以传输系统的模型化就必然不是单意的。不过图所示的是最简单的模型。在该模型中,传输系统的输入是由数字计算机输出的二进制“护、图脉冲传输系统的模型另外,从编码器输出的码元序列都是以某种信号形式向传输线路输 出的。使该码元序列与传输线路上的波形相对应 的附加操作即称为广义调制。这样,对于从编码器每按一定时间间隔秒 输出的码元的最简单调制就是使波形的个数对应于码元种类的个数若是二进制,码元就是两种,因此,每隔秒所输入的码元则取这些波形中的一种。例如,码元为“了、“”时,脉冲波形对应于、一振幅的调制称为二进制脉幅
5、调制。通常谈的调制只不过是狭义调制,即调幅或调频的正弦载波的振幅或频率对应于原始信号变化。若考虑选择对应于包含正弦波的波形信息,也可以说已经包含了先前提到的调制的定义。这种狭义的调制一般是指传输线路为带通型时,应使信号的频率成分与通频带相符合。例如,就有利用脉幅调制信号再调制正弦波振幅的情况。图中的调制器就完全包含了这种操作。由于部分响应的基本概念也可以将调制限于脉幅调制加以充分说明,所以下面就以脉幅调制传输系统二片一夕十几。卜 久求夕 又七于刃应用”,日经工卜夕卜口二 夕又,一,一。徐永超译,刘秀英、张洪斌校。一一为对象加以介绍。调制器的输出信号,通过同轴电缆等种种传输线路,输入到接收端的广
6、义解调器中。解调器是进行调制器的逆操作,即将接收的信一号与码元序列对应。但是由于在传输线路中引进噪声和畸变,所以接收信号与发送信号不同,因此有必要进行某种推算。在脉幅调制中最简单的推算方法是以秒为间隔对接收信号取样,并根据一定的闭值对该取样值进行判决“。通常,这种判决是对每一个码元进行一次。这样推算的码元序列由解调器复元为二进制信息序列。在脉冲传输系统中,当然上述的过程是传输二进制信息,然而当码元序列的推算有错误时,由于予先并不具有纠正错误的能力,则最终会传输完全错误的信息。与噪声相同,引起这种推算错误的主要原因之一是码元间干扰。一码元间千扰与均衡在图的调制器中,码元要对应于振幅为的矩形脉冲
7、脉宽秒。这时,在相对于序列,而得到的调制信号中并不会产生脉冲重叠现象。然而,传输线路能以何种形式传输信号的带宽却受到限制。因此,矩形脉冲的脉冲宽度要增加,也就是以畸变波形传输。这样,在时刻传输振幅为。的矩形脉冲时,在接收端则会收到。形脉冲。若传输线路特性随时间变化,则当时,发送振幅为的脉冲当然可用一表示。因此,对于,在接收端希望取样的信一号为“艺一到底取什么值较好的意义来看,虽然存在无数点,但实用上重要的点则是如图所示的一系列升 余弦脉冲。这些脉冲波形的频率特性如图所示,它由乎坦部分和按余弦平方波形下移。部分组成,可以响应具有滤波特性的脉冲。图中用所示的值称为下移率,二。时表示没有下移部分,具
8、有理想的频带限制特性。这种特性是在满足奈奎斯特准则的各种特性中带宽最窄的,该带宽称作奈奎斯特带宽,它的截止频率称为奈奎斯特频率。同时,对应于这个特性的脉冲波形称为取样函数。欲使变为奈奎斯特波形,整个传输系统就要具有图所示的特性,而且一般在调制器和解调器中还要插入滤波器。例如,在调制器中擂人具有特性的滤波器就是一例。这时,不仅要分配对应于码元的矩形脉冲,而且也要分配响应脉冲的脉冲。另外,若该是奈奎斯特波形、传输线路的频率特性为时,而且 当将具有其逆特性一的滤波器不论置于传送系统的任意位置时,那么整个传输系统的特性即的傅里叶变换如下式所示,诬一,则可以看作是 奈奎斯特波形。将波 形变成为形式的基本
9、脉冲波形 的滤波器 称作波形整形滤波器,而把在一,域中补偿传输线路的振幅畸变和延迟畸变的滤波器称为均衡器,把它们互相配合使得整个传输系统具有所要求的特性,这就称作均衡。以下我们称整个传输系统的频率特性 为传输线路特性,而称它的脉冲响应为传输线路响应。一定 时信在二时,为了推算而对取样之值则为二,习一 气亡式中第二项是秒时,因互相重叠而产生 的项,称作码元间千扰。例如,刚要发 送的脉冲只能受到一的干扰。这种千扰本身虽然不仅限于,的错误判决,但在某种意义上减少噪声容限是不合适的。若以脉冲不重叠的时间间隔传输脉冲信号,则可以避免干扰,但却会大大降低效率。这种情况的如图所示,若具有下式性质,扣“。,一
10、飞,今则无论对于任何、,式中的与,都相等,可以看出,不会产生码元间千扰。式的条件称作奈奎斯特第一淮则,满足该条件的脉冲波形统称为奈奎斯特波形。对于该波形,从每隔秒取样点以外的各点号提取如果采用奈奎斯特波形,如上所述,传输时就可以没有码元间干扰。但这只适用于取样点适当的情况。若在不合适的时刻取样,那么即使是奈奎斯特波形,也会引起码元间干扰。特别是对下移较小的脉冲,因为波形尾部振动较大,所以取样点即使有少了图价余弦 平方脉冲及其频率特 性许偏移,式中的一斗值也会变大,使得序列产生显著的千扰。一一一般来讲,到底在什么时刻取样较好,这对子接收端是未知的,因此就必须利用发送端所发送的信息,找到适 当的取
11、样点。这种操作叫作定时信号提取。大致可分两种类型,一种是从接收信号本身提取,另一种是预先从发送端将重叠在信号上的定时信号提取出来。前者的代表例是用窄带滤波器提取对接收信号进行非线性操作例如全波整流时产生的周期频率成分赫的方法。为要从其中得 出优质定时信号,就必须在接收信号中包含足够的奈奎斯特频率成分。后者的代表例是将奈奎斯特频率的正弦波 定时控制信号在低 电平处与发送信号重叠。当在稍为摆动的条件下提取时,必须充分限制接收信号的奈奎斯特频率成分。二、部分响应原理的提出从五十年代后半期开始,随着数字计算机的发展,数据传输的需要也急剧增加了。其结果开始向高效率传输发展,也就是从如何在有限的传输线路带
12、宽下尽量传送更多数据。如前所述,满足奈奎斯特条件的带宽最窄的传输是具有理想带宽限制特性的。换言之,在一定带宽条件下,可能进行的没有码元间千扰的最高速传输,也是具有理想带宽限制特性的。因此,从提高传输速度上考虑,就要使传输系统接近该特性。但这时却存在着以下三个技术向题。第一个向题是如何既满足奈奎斯特条件又同时实现陡峭的频率截止特性。第二个问题是如何处理由于将信号频谱展宽至增大传输线路的振幅畸变和延迟畸变的频带端而产生的码元间很强的千扰。第三个向题是如何确立对于陡峭的频率截止特性所必然要求的正确取样时刻。在六十年代前半期,由于自动均衡器尚未实用化,所以上述问题没有得到解决。不过,从其它途径对提高传
13、输速 度也进行了成功的试验。的方案就是以双二进制,命名的技术。双二进制基本上是由两种代码变换构成的。其中的一种变换是在奈奎斯特理论确立的数十年前已经在电信方面采用 了。下面我们首先从古老的电信技术角度说明一下。一在电信领域内很早以前就使用的双二进 制码在电信领域内,传输线路中传输的代码是周期性的传号和空号,、即点状码,这时如果频率通过特性不好,那么接收继 电器则不会响应,这种打点的速度几乎给出 了传输速度的上限。这时,倘若发送的只是两种连续的传号和空号码,显而易见,只取频率的一半,传输速度也不能达到倍,具体的是考虑如下的方法,。在发送端用编码器进行动式变换,即变换成进制信息序列、传号和空号。式
14、如下卜这时,连续的传号二以正电平传输,空号的连续二以负电平传输。而不传输传 号空号或空号传号。其结果在接收端出现的电平就会有正、负或零三种情况。发送信息按下述方式解调把正电平判决为传号,把负电平判决为空号,而零电平则是将以前的判决结果反转并译 码使 发送信息还原。这样,连续发送两个传号和空号即可达到预期的目的。从而可以提高打点的速度。但是这种方法也有其致命的缺点,就是倘若出现一个判决错误,那就会引起一系列的错误。这种不合适的现象称为误差传播,其产生根源是为了判决盆,就必须使用紧挨着的前一个判决信息。倘若根据对应于的接收电平能够单值判决,就可消除误差传播,为了达到此目的,就提出了将输人的进制信息
15、序列变换为其它的进制序列的过程,这就是双二进制。也就是将按式变换的序列子再按式和进行变换。一。是模加一,。二卜按式的变换消除误差传播的步骤如下。这时,若设,则一,若一,则变成一,的反转。因此,从式可以看出,为或时,二时,二,即二。所以,只由即可知道。但是,为什么采用双二进制可以提高传输速度呢其理由可从进行式变换的解调器操 作了解。也就是说,对于按照式所得到的码元序列、,根据式选择由调制器分配的脉冲的振幅该 变换只是为了均衡正负振幅而采用的,则发送信号可由式、变换如下“一艺、一二 一。“习一一二 一艺 二 一苗一杏。一艺三。一韶 一的式中三、垒一一一全一式的变换对于、二和分别对应的波形为。和一,
16、显然两者是等价的。现在,若设为取样函数,式中的。如图所示是在二或以外的点每隔秒交叉于零点的脉冲,也就是一种只从紧前的脉冲受到一个码元间干扰的非奈奎斯特波形。由式可知,该波形的频率特性。的傅里叶变 换是由的频率特性表示,也即由理 想频带 限 制 特性一,鉴和旋转因子”组成的式所表示,一兀一兀,鉴而且图所示的振幅特性呈余弦形。这样,就可能解决传输系统近似于理想带宽限制特性时所产生的三个问题。图所示曲线具有陡截止特性,另外,由于频带两端的信号成分受到抑制,所以很难受到振幅畸变和延迟畸变的影响。再者,由图可见由于脉冲尾部的摆动很小,即使取样点多少有些偏移,可预期并不会过分增加码元间干扰。因此,除了所谓的不满足奈奎斯特条件之外,可考虑能够解决上述三个问题。也就是说,由于特意附加 了码元间干扰而提高了传输速度,所以实现 了良好匹配的特性。此外,这种码元间的干扰是与以往的作为不理想的干扰的处理的方法不同,因为预先己经知道了这种干扰,所以就能很容易地去除,其结果并不会对附加的码元间干扰产生影响,但却会提高传输速度。图双二进
