孫華娟，顏曉紅，郝學(xué)元

(南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)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(yīng)、介電損耗及低通特性等非理想特征的影響嚴(yán)重，導(dǎo)致信號高頻成分衰減，使接收端很難恢復(fù)信號，從而大大降低信號的傳輸速率。均衡技術(shù)包括發(fā)送端的預(yù)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(guān)衰減。傳統(tǒng)幅度預(yù)加重技術(shù)需要太多電路元器件，電路實現(xiàn)復(fù)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(zhì)量［1］。Nauta提出的脈沖寬度調(diào)制(PWM)預(yù)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(tǒng)的應(yīng)用［2］。本文介紹一種基于脈沖寬度調(diào)制的局部預(yù)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(diào)制實現(xiàn)信號的時域預(yù)加重，找出編碼中的最佳PWM預(yù)加重位置，進(jìn)行局部預(yù)加重，運用Simulink這一動態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域的建模和仿真工具，從眼圖直觀驗證傳輸質(zhì)量。

1 長纜信道模型和碼間干擾

圖1 低通信道的幅頻響應(yīng)

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(dǎo)致信號在頻域上產(chǎn)生線性失真，在時域上波形發(fā)生時散效應(yīng)［3］，從而產(chǎn)生碼間干擾現(xiàn)象，如圖2所示，即每個碼元的“拖尾”造成了對相鄰碼元的串?dāng)_。它會限制數(shù)據(jù)速率，降低接收端信號質(zhì)量，縮短傳輸距離。

圖2 碼間干擾

2 BPSK編碼的脈沖寬度調(diào)制(PWM)預(yù)加重技術(shù)

2.1 BPSK編碼生成

二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)是一種常用的數(shù)字信號調(diào)制方式，廣泛用于衛(wèi)星、微波通信、廣播電視等諸多領(lǐng)域。當(dāng)正弦隨機二進(jìn)制數(shù)字基帶信號離散變化時，則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控信號。采用BPSK作為信源發(fā)送編碼，如圖3所示。

圖3 BPSK編碼

2.2PWM預(yù)加重技術(shù)的原理

傳統(tǒng)的幅度域預(yù)加重電路需要許多電路元器件，實施起來也比較復(fù)雜。所以本文提出另一種基于時域?qū)幋a信號進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制的方法，脈沖寬度調(diào)制預(yù)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(shù)Tch的函數(shù)［4－6］。

脈沖寬度調(diào)制(PWM)預(yù)加重的實現(xiàn)原理如圖4所示。通過輸入數(shù)據(jù)Data In和脈沖寬度調(diào)制時鐘PWM Clk進(jìn)行異或運算得到時域預(yù)加重數(shù)據(jù)PE－Out。PWM Clk是通過輸入時鐘Clk和一個延遲電路delay進(jìn)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?qū)У慕⒋翱谥羞M(jìn)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(dāng)相位，其余保持默認(rèn)值。

圖4 PWM預(yù)加重波形(延時為0)

圖5 延遲電路

選用一段PE－Out預(yù)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(jié)果，找出最佳預(yù)加重位置，使得信號獲得良好的傳輸效果。

圖6 PWM CLK調(diào)制

圖7 PWM預(yù)加重

2.3 Simulink動態(tài)仿真

在學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域，Simulink已成為在動態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域建模和仿真方面應(yīng)用最廣泛的軟件包之一。在Simulink環(huán)境中，利用鼠標(biāo)在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，直接進(jìn)行仿真［7］。

1)前半部分PWM預(yù)加重

經(jīng)過前半部分PWM預(yù)加重，從接收端判決器的恢復(fù)波形結(jié)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(yù)加重波形

2)中間部分PWM預(yù)加重

經(jīng)過中間部分PWM預(yù)加重，從接收端判決器的恢復(fù)波形結(jié)果觀察，恢復(fù)信號與發(fā)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(yù)加重波形

3)后半部分PWM預(yù)加重

經(jīng)過后半部分PWM預(yù)加重，從接收端判決器的恢復(fù)波形結(jié)果觀察，較發(fā)送波形只有延遲，由此可見后半部分PWM預(yù)加重更能極好地恢復(fù)信號，如圖10所示。

4)各部分眼圖對比

圖10 后半部分PWM預(yù)加重波形

圖11 預(yù)加重眼圖

從圖11中的眼圖結(jié)果來看，沒有進(jìn)行預(yù)加重處理的發(fā)送波形，在接收端的眼圖是雜亂無章的，碼間干擾嚴(yán)重，傳輸效果不理想。前半部分預(yù)加重波形重合度較低，說明碼間干擾較嚴(yán)重，預(yù)加重效果不理想。中間部分預(yù)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(yù)加重波形重合度較高，眼圖更清晰，預(yù)加重的效果相比前半部分和中間部分預(yù)加重更好。因此，對BPSK傳輸信號而言，后端預(yù)加重效果較好。

3 結(jié)束語

基于PWM預(yù)加重技術(shù)，本文詳細(xì)敘述了一種適用于BPSK編碼遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腜WM局部預(yù)加重方法。對發(fā)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(jié)果，后半部分預(yù)加重的接收端能準(zhǔn)確恢復(fù)信號，眼圖清晰，效果好。運用Simulink動態(tài)仿真軟件作為輔助工具，使研究結(jié)果得到很好驗證，在BPSK后半部分進(jìn)行PWM局部預(yù)加重技術(shù)可以消除碼間干擾，提高傳輸速率和系統(tǒng)質(zhì)量。

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［2］SCHRADER J，KLUMPERINK E，VISSCHERS J，et al.CMOS transmitter using pulse－width modulation pre－emphasis achieving 33 dB loss compensation at 5 Gb/s［C］//Proc.2005 Symposium on VLSI Circuits.［S.l.］:IEEE Press，2005:388－391.

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［4］YUMINAKA Y，TAKAHASHI Y，HENMI K.Multiple－valued data transmission based on time－domain pre－emphasis techniques in consideration of higher－order channel effects［C］//Proc.39th International Symposium on Multiple Valued Logic.Naha， Okinawa:IEEE Press， 2009:250－255.

［5］CHENG H，CARUSONE A C.A 32/16 Gb/s 4/2－PAM transmitter with PWM pre－emphasis and 1.2 Vpp per side output swing in 0.13μm CMOS［C］//Proc.IEEE Custom Integrated Circuits Conference.San Jose，CA:IEEE Press，2008:635－638.

［6］YUMINAKA Y，HENMI K.Data－dependent time－domain pre－emphasis techniques for high－speed data transmission［C］//Proc.2010 International Symposium on Communications and Information Technologies.Tokyo:IEEE Press，2010:1103－1107.

［7］關(guān)春健，楊建波，劉鵬.Mark XIIA Mode5、中RS編譯碼器設(shè)計及性能分析［J］. 電視技術(shù)，2012，36(19):77－79.