地面数字电视传输技术-在线教程二(8-13)

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8. 什么是比特率和符号率 ？
这是衡量系统传输能力的重要指标。常见的有比特率和波特率两种。
对于任何形式的数字传输，接收机必须知道发射机发送的信息速率。在基带传输系统中
用比特率表示传输的信息码率，比特率b R 是指单位时间内传输的二元比特数，单位是bit/s。
例如计算机串口的传输码率最高到 115200bit/s。
波特率s R 是指单位时间内传输的调制符号数，即指三元及三元以上的多元数字码流的
信息传输速率，单位是baud/s。
在M 进制调制中，比特率b R 和波特率s R 之间关系有：

比特率与波特率在本质上是一回事，都表示信息传输的速率，只是在传输系统的不同阶
段，信号呈现出不同的形式，因此以不同的计算方式来衡量其信息的传输速率。例如，在收
发端的信源和信道编译码阶段，信息通常表示为二进制形式，此时采用比特率为单位；而在
调制器映射之后到解调器反映射之前，信息以多元符号形式存在，这时采用波特率更方便。
比特率和波特率容易产生混淆，为了避免造成人们的困惑，许多书上称波特率为符号率。
另外，对通信系统的评估中通常还定义了净荷速率，它是指在传输的符号中扣除由于信
道编码和同步字段等一切额外花销后的“纯”信息速率，单位通常是 bit/s。
9. 频谱效率是如何定义的 ？
频谱效率W η 又称频带利用率，用来衡量系统的有效性。它定义为单位带宽传输频道
上每秒可传输的比特数，单位是 bit/s/Hz。它是单位带宽通过的数据量的度量，由此衡量一
个信号传输技术对带宽资源的利用率。
如果传输频道的带宽为W ，我们有：

习惯上把> 1 W η 的调制方案称为带宽有效性调制，反之则称为功率有效性调制。
对于基带信号或单边带传输系统，奈奎斯特带限定理表明，理论上没有码间串扰的最大
频谱效率为 2码元/s/Hz，该定理并没有直接说明频谱效率的最大值。为获得任何传输形式
的频带利用率 R/W，就要知道每个符号（码元）包含的比特数。
对于带通调制信号，例如幅移键控ASK、频移键控 PSK 和正交幅度调制 QAM，需要
的传输带宽是相应基带信号的 2 倍，那么理论上没有码间串扰的最大频谱效率变为 1码元
/s/Hz。对于BPSK 或 2ASK，理论最高频谱效率为 1bit/s/Hz；QPSK 的理论最高频谱效
率为 2bit/s/Hz； 32QAM 的理论最高频谱效率达 5bit/s/Hz；64QAM 的理论最高频谱效率
达 6bit/s/Hz。即对于M进制数字调制 MPSK 或 MQAM，其理论最高频谱效率为
2 log M (bit/s/Hz)。
10. 为什么要采用脉冲成形滤波器？什么是滚降系数？
数字信号在传输过程中受到叠加干扰与噪声，从而出现波形失真。瑞典科学家哈利?奈
奎斯特在1928 年为解决电报传输问题提出了数字波形在无噪声线性信道上传输时的无失
真条件，称为奈奎斯特准则，其中奈奎斯特第一准则是抽样点无失真准则，或无码间串扰（ISI
Free）准则，是关于接收机不产生码间串扰的接收脉冲形状问题。对于基带传输系统，要到
达吴码间串扰，系统传输函数 H(f) 是单边带宽为 1/2T 的矩形函数（理想奈奎斯特滤波
器），其时域波形为 h(t)=sinc(t/T)，称为理想奈奎斯特脉冲成形，它们的波形和表达式如下
图所示。

从中可以看出，理想奈奎斯特滤波系统（保证无码间串扰）的传输函数形状为矩形，其
脉冲响应为无限长，显然该脉冲成形滤波器在物理上是不可实现的，只能近似，称为奈奎斯
特滤波器和奈奎斯特脉冲。奈奎斯特滤波器的频率传输函数可以表示为矩形函数和任意一个
实偶对称频率函数的卷积；奈奎斯特脉冲可以表示为 sinc(t/T) 函数与另一个时间函数的乘
积。因此，奈奎斯特滤波器以及相应的奈奎斯特脉冲为无穷多个，其中，常用的是升余弦成
形滤波器，如下图所示，其中 α称为滚降系数。

从升余弦的表达式和图中可以看到，当α＝0时，就是理想奈奎斯特滤波器，此时的传
输带宽是理想奈奎斯特滤波器的最小带宽，但当 α>0 时，系统传输带宽就超过了奈奎斯
特最小带宽，这时码率速率 Rs 就小于小于 2 倍带宽，如果解调器在每个码元间隔内仅做
一次采样，那么会因为采样点太少而不能可靠恢复模拟波形，产生失真。但是数字通信系统
不需要恢复模拟波形，只需要在取样时刻无码间串扰就行，而升余弦系列滤波器在取样时刻
具有无码间串扰特性。因此，仍符合奈奎斯特第一准则，它所实现的频谱效率要比理论最高
效率下降一个滚降系数*** 倍。
滚降系数***影响着频谱效率，***越小，频谱效率就越高，但***过小时，升余弦滚降滤波
器的设计和实现比较困难，而且当传输过程中发生线性失真时产生的符号间干扰也比较严
重。在实际工程中，***的范围一般定在 0.15～0.5 之间
对于带通调制信号，例如幅移键控ASK、频移键控 PSK 和正交幅度调制 QAM，需要
的传输带宽是相应基带信号的 2 倍，那么所需的双边带带宽 WDSB 和码元传输速率 Rs 的
关系为：
11. 什么是平方根升余弦成形滤波器 ？
前面介绍了符合奈奎斯特第一准则的成形滤波器以及相应的成形脉冲有无穷多个，其中
常用的是升余弦成形滤波器。前面介绍的升余弦滤波器的传输函数是整个系统的合成传输函
数 H(f)，即从发送端开始，经信道到接收滤波器的整个传输函数。
接收端的滤波是对整个传输函数的补偿，它使得整体传输函数成为一个能够满足奈奎斯
特第一准则（实现无码间串扰）的传输函数，例如升余弦函数。通常，不把这个升余弦滤波
器只放置在接收端，而把它放置在收发两端，即将接收滤波器和发送滤波器设计（匹配）为
平方根升余弦函数（升余弦函数的平方根）。若不考虑由于信道引起的码间串扰，两个平方
根升余弦函数相乘就得到升余弦形式的合成的系统传输函数。
12. 什么是误码率和误符号率 ？
它们用于衡量系统可靠性。误码率或误比特率(BER：bit error ratio)是指在经过系统传输
后，送给用户的接收码流中发生错误的比特数占信源发送的原始码流总比特数的比例。
对于多元调制信号，由于接收机的判决是基于符号的，所以更常采用误符号率或误字率，
即接收端发生符号错误的比例。线性调制系统的误符号率与其星座图中星座点间的欧几里德
距离有确切的函数关系。
一般地说，星座点越密集，接收端符号判决错误的概率越大。为更准确地评估工作于突
发信道的通信系统，还定义了中断概率。它是指在一次测量中误码数目超过一个特定值的概
率，每一个中断事件代表一次失败的传输。
13. 什么是信噪比 S/N 、载噪比 C/N 与 Eb/N0 ？
信噪比( S N )是指传输信号的平均功率与加性噪声的平均功率之比。载噪比(C N )指
已经调制的信号的平均功率与加性噪声的平均功率之比。它们通常都以对数的方式来计算，
单位为dB。
信噪比与载噪比区别在于，载噪比中已调信号的功率包括了传输信号的功率和调制载波
的功率，而信噪比中仅包括传输信号的功率，两者之间相差一个载波功率。当然载波功率与
传输信号功率相比通常都是很小的，因而载噪比与信噪比在数值上十分接近。对抑制载波的
调制方式来说，两者的值相等。信噪比和载噪比可以在接收端直接通过测量得到。
在调制传输系统中，一般采用载噪比指标；而在基带传输系统中，一般采用信噪比指标。
实际数字通信系统的可靠性性能常以一个载噪比对误码率的关系曲线来描述的，曲线的横坐
标为 C/N，纵坐标为 BER，如下图所示。对某个 C/N，BER 越小，则说明该通信系统的
可靠性越高。从下图可以看出系统 b 抗干扰能力优于 a。此时系统a，b 的效率无法进行
比较，有可能 a 优于 b，也可能 b 优于 a。若 b 优于 a，则系统 b 的整体性能优于 a。
若 a 优于 b，说明系统b 通过牺牲效率达到增强抗干扰能力。

对于 C/N~BER 曲线，只能比较系统的抗干扰能力，无法比较系统的效率，我们要想
比较两个系统的综合性能，需要采用0 E N b 这个指标。0 E N b 中的b E 代表每传输一比特
信息所需要的能量， 0 N 代表高斯白噪声信道的单边功率谱密度。容易推出：

由此可见，E N0 b 值在信噪比 ( S N ) 中考虑了频谱效率因素，能够更加综合客观地反映
系统工作状况。所以我们看到在讨论系统性能的文献中通常都采用0 E N b ，如0 E N b vs.
BER 曲线等。例如下图所示的Eb/N0~BER 曲线，在左图中，对相同的BER，在相同SNR
条件下，Eb/N0 越小，频谱效率越高。在相同抗干扰能力情况下，系统b 效率优于系统a。
所以系统b 综合性能优于a。对于右图，对相同的Eb/N0，在相同SNR 条件下，BER 越小，
系统性能越优。所以，系统b 性能优于a。
Eb/n0 可以反映系统的综合性能，但不直观，因为 Eb 和N0 不是系统中可以直接测得
的参数，必须通过计算得出；而 C/N 可以通过测量直接得到，但较为片面。因此当需要直
接了解系统的可靠性时，一般使用 C/N；而当需要横向比较不同系统的性能时，一般使用
Eb/n0 。

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