时域均衡原理

4.6 时域均衡原理

  本节知识要点：

      

4.6.1 均衡的概念

　　实际的基带传输系统不可能完全满足无码间串扰传输条件，因而码间串扰是不可避免的。当串扰严重时，必须对系统的传输函数 进行校正，使其达到或接近无码间串扰要求的特性。理论和实践表明，在基带系统中插入一种可调（或不可调）滤波器就可以补偿整个系统的幅频和相频特性，从而减小码间串扰的影响。这个对系统校正的过程称为均衡，实现均衡的滤波器称为均衡器。
均衡分为频域均衡和时域均衡。频域均衡是从频率响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输条件。而时域均衡，则是直接从时间响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件。
频域均衡在信道特性不变，且传输低速率数据时是适用的，而时域均衡可以根据信道特性的变化进行调整，能够有效地减小码间串扰，故在高速数据传输中得以广泛应用。本节仅介绍时域均衡原理。

4.6.2 时域均衡的基本原理

　　时域均衡的基本思想可用图 4-23 所示的传输模型来简单说明。

 

　　图 4-23 中， 不满足式（ 4-27 ）的无码间串扰条件时，其输出信号 将存在码间串扰。为此，在 之后插入一个称之为横向滤波器的可调滤波器 ，形成新的总传输函数 ，表示为

　　　　　　　　　　　　                                 （ 4-47 ）

　　显然，只要 满足式（ 4-27 ），即

                

                  （ 4-48 ）

　　则抽样判决器输入端的信号 将不含码间串扰，即这个包含 在内的 将可消除码间串扰。这就是时域均衡的基本思想。
可以证明

　　　　　　　　　　　                                    （ 4-49 ）

　　其中

　　　　　　　　         　    　      （ 4-50 ）

　　由上式可见， 、 完全由 决定。

　　对式（ 4-49 ）进行傅立叶反变换，则可求出其单位冲激响应 为

　　　　　                             （ 4-51 ）

　　根据该式，可构造实现 的插入滤波器如图 4-24 所示，它实际上是由无限多个横向排列的延迟单元构成的抽头延迟线加上一些可变增益放大器组成，因此称为横向滤波器。每个延迟单元的延迟时间等于码元宽度 ，每个抽头的输出经可变增益（增益可正可负）放大器加权后输出。这样，当有码间串扰的波形 输入时，经横向滤波器变换，相加器将输出无码间串扰波形 。

 

 

图 4-24 横向滤波器

　　上述分析表明，借助横向滤波器实现均衡是可能 的，并且只要用无限长的横向滤波器，就能做到消除码间串扰的影响。然而，使横向滤波器的抽头无限多是不现实的，大多情况下也是不必要的。因为实际信道往往 仅是一个码元脉冲波形对邻近的少数几个码元产生串扰，故实际上只要有一、二十个抽头的滤波器就可以了。抽头数太多会给制造和使用都带来困难。

4.6.3有限长横向滤波器

　　设在基带系统接收滤波器与判决器之间插入一个 具有 个抽头的横向滤波器，如图 4-25 （ a ）所示。它的输入为 ，是被均衡的对象。若该有限长横向滤波器的单位冲击响应为 ， 相应的频率特性为 ， 则

　　　　　　　　　　                                  （ 4-52 ）

　　　　　　　　　　                              （ 4-53 ）

　　下面我们考察该横向滤波器的输出 的波形。因为 是输入 与冲激响应 的卷积，故利用 为冲激序列的特点，可得

　　　　　　　                          （ 4-54 ）

图 4-25 有限长横向滤波器

　　于是在抽样时刻 有

　　简写为

　　上式说明，均衡器在第 抽样时刻得到的样值，将由 个 与 的乘积之和来确定。我们希望抽样时刻无码干，即

　　但完全做到有困难。这是因为，当输入波形 给定，即各种可能的 确定时，通过调整 使指定的 等于 0 是容易办到的，但同时要求 以外的所有 都等于 0 却是件很难的事。
实际应用时，是用示波器观察均衡滤波器输出信号 的眼图。通过反复调整各个增益放大器的 ，使眼图的 “眼睛”张 开最大为止。
现在我们以只有三个抽头的横向滤波器为例，说明横向滤波器消除码间串扰的工作原理。
假定滤波器的一个输入码元 在抽样时刻 达到最大值 ，而在相邻码元的抽样时刻 和 上的码间串扰值为 ， ，如图 4-25 （ b ）所示。 采用三抽头均衡器来均衡，经调试， 得此滤波器的三个抽头增益调制为

　　则调整后的三路波形相加得到最后输出波形 ，其在各抽样点上的值等于

      

  

　　由以上结果可见，输出波形的最大值 降低为 3/4 ，相邻抽样点上消除了码间串扰，即 ，但在其点上又产生了串扰，即 和 。这说明， 用有限长的横向滤波器有效减小码间串扰是可能的，但完全消除是不可能的。
时域均衡的实现方法有多种，但从实现的原理上看，大致可分为预置式自动均衡和自适应式自动均衡。预置式均衡是在实际传数之前先传输预先规定的测试脉冲（如 重复频率很低的周期性的单脉冲波形），然后按“迫零调整原理”（具体内容请参阅有关参考书）自动或手动调整抽头增益；自适应式均衡是在传数过程中连续测出 距最佳调整值的误差电压，并据此电压去调整各抽头增益。一般地，自适应均衡不仅可以使调整精度提高，而且当信道特性随时间变化时又能有一定的自适应性，因 此很受重视。这种均衡器过去实现起来比较复杂，但随着大规模、超大规模集成电路和微处理机的应用，其发展十分迅速。