一种用于BPSK编码长线传输的局部预加重方法

孙华娟，颜晓红，郝学元

(南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京 210003)

基带信号在长缆中高速率传输时，受信道的趋附效应、介电损耗及低通特性等非理想特征的影响严重，导致信号高频成分衰减，使接收端很难恢复信号，从而大大降低信号的传输速率。均衡技术包括发送端的预加重和接收端的后均衡，它们可以补偿滤波器传输或接收端波形的频率相关衰减。传统幅度预加重技术需要太多电路元器件，电路实现复杂，此外信号幅度的增加又增大了电磁干扰和噪声容限，影响传输质量［1］。Nauta提出的脉冲宽度调制(PWM)预加重电路，需要较高的时钟频率，消耗更多的电源能量，不适合低功率系统的应用［2］。本文介绍一种基于脉冲宽度调制的局部预加重方法，降低功率损耗，有效补偿高频衰减。通过对BPSK编码信号的脉冲宽度调制实现信号的时域预加重，找出编码中的最佳PWM预加重位置，进行局部预加重，运用Simulink这一动态系统领域的建模和仿真工具，从眼图直观验证传输质量。

1 长缆信道模型和码间干扰

图1 低通信道的幅频响应

信号的传输速率增加以后，由于实际信道带宽有限且具有非理想性，导致信号在频域上产生线性失真，在时域上波形发生时散效应［3］，从而产生码间干扰现象，如图2所示，即每个码元的“拖尾”造成了对相邻码元的串扰。它会限制数据速率，降低接收端信号质量，缩短传输距离。

图2 码间干扰

2 BPSK编码的脉冲宽度调制(PWM)预加重技术

2.1 BPSK编码生成

二进制移相键控(BPSK)是一种常用的数字信号调制方式，广泛用于卫星、微波通信、广播电视等诸多领域。当正弦随机二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控信号。采用BPSK作为信源发送编码，如图3所示。

图3 BPSK编码

2.2PWM预加重技术的原理

传统的幅度域预加重电路需要许多电路元器件，实施起来也比较复杂。所以本文提出另一种基于时域对编码信号进行脉冲宽度调制的方法，脉冲宽度调制预加重(PWM)幅度和符号时间(Ts)都是固定的，而脉冲时间宽度可变。d是占空比，对于一阶低通信道，占空比是一个基于符号时间Ts和信道恒定参数Tch的函数［4－6］。

脉冲宽度调制(PWM)预加重的实现原理如图4所示。通过输入数据Data In和脉冲宽度调制时钟PWM Clk进行异或运算得到时域预加重数据PE－Out。PWM Clk是通过输入时钟Clk和一个延迟电路delay进行或门逻辑运算形成的［4］。本文选用Xilinx－FPGA中DCM模块(即IP核)完成延时电路部分，在Xlinx时钟向导的建立窗口中进行配置，如图5所示。在Input Clock Frequency输入栏中敲入输入时钟的频率或周期，单位分别是MHz和ns，在Phase Shift输入栏中敲入适当相位，其余保持默认值。

图4 PWM预加重波形(延时为0)

图5 延迟电路

选用一段PE－Out预加重信号处理，对于P1低频脉冲，这个脉冲宽度是窄低频脉冲的2倍，保持后半部分的信号不变，在前半部分加上PWM CLK1;同样，对于P2高频脉冲，它也是窄高频脉冲的2倍，在它的前半部分加上PWM CLK2，如图6、图7所示。按照这种方法，在宽高频脉冲和宽低频脉冲的前、中、后部分分别加上PWM CLK，观察眼图结果，找出最佳预加重位置，使得信号获得良好的传输效果。

图6 PWM CLK调制

图7 PWM预加重

2.3 Simulink动态仿真

在学术界和工业领域，Simulink已成为在动态系统领域建模和仿真方面应用最广泛的软件包之一。在Simulink环境中，利用鼠标在模型窗口中直观地“画”出系统模型，直接进行仿真［7］。

1)前半部分PWM预加重

经过前半部分PWM预加重，从接收端判决器的恢复波形结果观察，存在码间干扰造成的信号误判，如图8所示。

图8 前半部分PWM预加重波形

2)中间部分PWM预加重

经过中间部分PWM预加重，从接收端判决器的恢复波形结果观察，恢复信号与发送信号大体一致，但是在PWM CLK位置上，接收端不能正确判决，带来信号部分失真，影响接收效果，如图9所示。

图9 中间部分PWM预加重波形

3)后半部分PWM预加重

经过后半部分PWM预加重，从接收端判决器的恢复波形结果观察，较发送波形只有延迟，由此可见后半部分PWM预加重更能极好地恢复信号，如图10所示。

4)各部分眼图对比

图10 后半部分PWM预加重波形

图11 预加重眼图

从图11中的眼图结果来看，没有进行预加重处理的发送波形，在接收端的眼图是杂乱无章的，码间干扰严重，传输效果不理想。前半部分预加重波形重合度较低，说明码间干扰较严重，预加重效果不理想。中间部分预加重波形重合度较高，码间干扰较小，但其中部分眼图含有幅度较小的成分，在接收端难于判决。后半部分预加重波形重合度较高，眼图更清晰，预加重的效果相比前半部分和中间部分预加重更好。因此，对BPSK传输信号而言，后端预加重效果较好。

3 结束语

基于PWM预加重技术，本文详细叙述了一种适用于BPSK编码远距离传输的PWM局部预加重方法。对发送信号分别在P1低频脉冲和P2高频脉冲的前半部分、中间部分和后半部分位置上加PWM CLK，对比接收端的判决结果，后半部分预加重的接收端能准确恢复信号，眼图清晰，效果好。运用Simulink动态仿真软件作为辅助工具，使研究结果得到很好验证，在BPSK后半部分进行PWM局部预加重技术可以消除码间干扰，提高传输速率和系统质量。

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