基于MATLAB的眼圖仿真《通信原理》.doc

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基于 MATLAB的眼圖仿真 及其與通信實(shí)驗(yàn)箱之結(jié)果的比較 摘要 通信實(shí)驗(yàn)往往可以從硬件和軟件兩方面著手設(shè)計(jì) 并加以橫向比較 從而達(dá)到更深刻地理解和 領(lǐng)會(huì)通信理論原理的目的 本設(shè)計(jì)選取眼圖為研究對(duì)象 可靠性是通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一 而眼 圖是定性衡量傳輸系統(tǒng)可靠性能 碼間串?dāng)_大小及受信道噪聲的影響等 的方法 簡(jiǎn)單直觀 除了用通信實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)眼圖的觀察外 軟件仿真具有前者所不具備的優(yōu)點(diǎn) 本設(shè)計(jì)以 MATLAB 為主 要工具實(shí)現(xiàn)了眼圖的仿真模擬 硬件方面使用北京掌宇金儀科教儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的 TIMS 301 F 系列實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 只需較 少的模塊就能完成眼圖的實(shí)現(xiàn) 缺點(diǎn)是靈活性不夠 MATLAB 由初始的矩陣實(shí)驗(yàn)室發(fā)展成一款具有 廣泛用途的科學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件 在通信系統(tǒng)仿真方面是有效而便捷的 MATLAB 本身內(nèi)置功能強(qiáng)大的函 數(shù)庫(kù)和講解詳細(xì)的幫助文檔 前者使得眼圖的仿真更加高效 眼圖仿真考慮了以下幾方面因素的影響 調(diào)制數(shù)字信號(hào)的方式 傳輸系統(tǒng) 濾波 信道噪聲 及其大小等等 給出了 MATLAB 語(yǔ)言編程和 Simulink 動(dòng)態(tài)建模兩種眼圖的實(shí)現(xiàn)方式 通過(guò)仿真有效 的驗(yàn)證了眼圖判斷噪聲大小 系統(tǒng)性能的有效性 并嘗試了通過(guò)眼圖調(diào)整通信系統(tǒng)的抗干擾能力 關(guān)鍵字 通信系統(tǒng) 眼圖 仿真 MATLAB Simulation of Eye Diagram Based on Matlab the other was using the language of MATLAB which contains programming by matlab and establishing drammic models of communication system in Simulink Comparison was drawn between the two Many factors were considered in the simulation of Eye Diagram such as the way which a digital signal was modulated before transmiting the transmit system noise of the channel the filter and so on Some phenomenons can be observed and some principles be tested beside it also tries to improve adjust the communication system with the help of the Eye Diagram Key Words Communication System Eye Diagram Simulation MATLAB 目錄 1 緒論 1 1 1 引言 1 1 2 通信系統(tǒng)及其性能指標(biāo) 2 1 3 碼間干擾及無(wú)失真?zhèn)鬏?4 1 4 眼圖及其模型 5 2 眼圖的硬件實(shí)現(xiàn) 7 2 1 TIMS 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 7 2 2 眼圖的觀察及結(jié)果 8 3 眼圖的 MATLAB 仿真 12 3 1 MATLAB 簡(jiǎn)介 12 3 2 眼圖的仿真及結(jié)果 14 4 兩種結(jié)果的比較及結(jié)論 32 5 附錄 33 致謝 35 參考文獻(xiàn) 36 1 緒論 1 1 引言 21 世紀(jì)將是一個(gè)信息高速膨脹的信息社會(huì) 社會(huì)生產(chǎn)力水平的大力發(fā)展要求社會(huì)成員間的合 作更加緊密和高效 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化因此顯得越來(lái)越重要 通常 通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)涉及 有效性 可靠性 適應(yīng)性 標(biāo)準(zhǔn)性等等 但從研究消息傳輸角度考慮 通信的可靠性和有效性是主 要的矛盾所在 可靠性主要指消息的 質(zhì)量 問(wèn)題 對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng) 具體來(lái)說(shuō) 就是傳輸速 率和差錯(cuò)率 差錯(cuò)率就是從可靠性的角度具體化的一個(gè)概念 通信系統(tǒng)的優(yōu)劣需要一個(gè)性能評(píng)價(jià)機(jī)制 眼圖就是一個(gè)簡(jiǎn)單有效的定性衡量方法 通過(guò)眼圖還 可以對(duì)接收濾波器的特性加以調(diào)整 以減小碼間串?dāng)_和改善系統(tǒng)的傳輸性能 由于眼圖實(shí)現(xiàn)所需的 設(shè)備較少 硬件只需一臺(tái)示波器 觀察容易 因此廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)尤其是數(shù)字通信系統(tǒng) 的性能的評(píng)定 從眼圖上還可以大致估計(jì)系統(tǒng)的防噪聲能力或信道受到噪聲污染的情況 當(dāng)然 眼圖并不是唯一評(píng)價(jià)方式 甚至也不是最全的評(píng)價(jià)方式 信號(hào)星座圖從另一些方面反映 了系統(tǒng) 2 在通信系統(tǒng)仿真中 眼圖和信號(hào)星座圖一起成為模型仿真后處理的一部分 3 通信原理往往比較抽象 理論如果能在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證 必然可以加深對(duì)理論的理解 而本實(shí) 驗(yàn)從硬件和軟件兩方面對(duì)照 實(shí)現(xiàn)眼圖的觀察 相信會(huì)更好的了解眼圖 同時(shí)綜合軟硬件的優(yōu)勢(shì) 克服各自的缺陷 不失為一種良好的學(xué)習(xí)方式 1 2 通信系統(tǒng)及其性能指標(biāo) 傳遞信息所需的一切技術(shù)設(shè)備的總和稱為通信系統(tǒng) 其一般模型如下圖所示 4 信息源 發(fā)送設(shè)備 傳輸媒介 接收設(shè)備 收信者 干擾 圖 1 1 通信系統(tǒng)的一般模型 Fig 1 1 MODEL Of COMMUNICATION SYSTEM 通信系統(tǒng)按信道中所傳輸?shù)男盘?hào)的類型 模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào) 又可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通 信系統(tǒng) 由于計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展 加之?dāng)?shù)字通信抗干擾能力強(qiáng) 易于實(shí)現(xiàn)集成化 便于多路復(fù)用 可將傳輸與交換結(jié)合起來(lái) 便于應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)等等優(yōu)點(diǎn) 數(shù)字通信已逐漸超越模擬通信而占據(jù)主 體地位 數(shù)字通信系統(tǒng)的模型是在通信系統(tǒng)的一般模型中將模擬信源經(jīng)過(guò)抽樣 量化 及便于傳輸 而進(jìn)行的編碼等等步驟實(shí)現(xiàn)信號(hào)的離散化 接收設(shè)備相應(yīng)的需要解碼 濾波等等處理 如果在發(fā)送 端進(jìn)行了調(diào)制 還需在收信端解調(diào)信號(hào) 由圖 2 1 所示一般模型可知 干擾主要在傳輸媒介 信道 處引入 故有必要考察一下信道的 模型 信道可分為有線信道和無(wú)線信道 明線 對(duì)稱電纜 同軸電纜 光纖等屬于有線信道 地波 傳播 短波電離層反射 人造衛(wèi)星及各種散射信道等都是無(wú)線信道 通常我們將模型中的干擾視為 加性的 一般以 表示 而不是乘性的 至于乘性干擾 一般認(rèn)為由發(fā)送和接收設(shè)備引入 往 nt 往會(huì)帶來(lái)信號(hào)非線性失真 若以 表示發(fā)送和接收設(shè)備共同構(gòu)成的系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 由信號(hào)與 Hw 系統(tǒng)的知識(shí) 信道的模型可概括如下 Hw 輸 入 輸 出 nt 圖 1 2 信道模型 Fig 1 2 MODEL Of COMMUNICATION CHANNEL 對(duì)于在計(jì)算機(jī)上仿真來(lái)說(shuō) 不能像硬件實(shí)驗(yàn)一樣真實(shí)的模擬各種物理信道 但可以將各種信道產(chǎn)生 的效果雜合成 用 MATLAB 中的相關(guān)函數(shù)來(lái)仿真 用來(lái)統(tǒng)指與所傳信號(hào)相異的信號(hào) 包括 nt 外部噪聲 自然噪聲 認(rèn)為噪聲 和信道內(nèi)部各種電子器件的內(nèi)部噪聲 它們總的以隨機(jī)信號(hào)的形 式出現(xiàn) 通常認(rèn)為這樣的噪聲為高斯白噪聲 即其分布服從正態(tài)分布 頻譜包含任意頻率分量 為 常數(shù) 信噪比用來(lái)衡量噪聲平均功率相對(duì)信號(hào)平均功率的大小 以上模型將加性干擾歸入 中 nt 而乘性干擾在 中得到反映 Hw 有效性和可靠性是衡量通信系統(tǒng)的兩個(gè)主要性能指標(biāo) 有效性指系統(tǒng)傳輸消息的效率 總是希 望以最合理 最經(jīng)濟(jì)的方法來(lái)傳輸最大數(shù)量的消息 可靠性指系統(tǒng)傳輸消息可靠程度 即質(zhì)量問(wèn)題 決定于系統(tǒng)抗干擾的性能 即通信系統(tǒng)的抗干擾性 有效性和可靠性是相互矛盾的 只能依據(jù)實(shí)際 要求求得相對(duì)的統(tǒng)一 比如 在滿足一定可靠性指標(biāo)下 盡量提高系統(tǒng)的有效性 使消息傳輸更快 但是不能無(wú)限 相對(duì)而言 地提高有效性而不降低系統(tǒng)可靠性能 對(duì)于模擬通信來(lái)說(shuō) 有效性用有效傳輸帶寬來(lái)衡量 衡量可靠性用輸出信噪比 而對(duì)于數(shù)字通 信 其有效性體現(xiàn)在一個(gè)信道通過(guò)的信息速率上 可以有以下三種表示方法 1 碼元傳輸速率 RB 系統(tǒng)每秒鐘傳送的碼元 脈沖 數(shù)目 2 信息傳輸速率 Rb 系統(tǒng)每秒鐘傳送的二進(jìn)制碼元數(shù)目 3 消息傳輸速率 Rm 單位時(shí)間所傳輸?shù)南?shù)目 可靠性常用差錯(cuò)率來(lái)表示 包括誤碼率 和誤信率 誤比特率 分別為傳輸錯(cuò)誤的碼元 比RPbP 特 數(shù)占傳輸碼元 比特 總數(shù)的概率 1 3 碼間干擾及無(wú)失真?zhèn)鬏?由信號(hào)與系統(tǒng)的知識(shí)知道 波形 無(wú)失真?zhèn)鬏數(shù)睦硐肭闆r是傳輸函數(shù) 滿足兩大條件 Hw 1 幅度響應(yīng) 通帶內(nèi)為常數(shù) 帶外為零 Hw 2 通帶內(nèi)相位響應(yīng) 為頻率的線性函數(shù) 即群延遲為常數(shù) 根據(jù)頻譜分析原理 頻帶受限 則時(shí)域無(wú)限 因此滿足上述兩大無(wú)失真條件的信號(hào)其波形在時(shí)域上 是無(wú)限延伸的 這就勢(shì)必會(huì)引起各碼元之間的相互竄擾 但在數(shù)字傳輸中情況有點(diǎn)不一樣 由于碼 元波形是按一定間隔發(fā)送的 其信息攜帶在幅度上 接收端再生判決如能準(zhǔn)確恢復(fù)出幅度信息 則 原始信碼就能無(wú)誤地得到傳送 故數(shù)字傳輸中只需特定時(shí)刻波形幅值無(wú)失真?zhèn)魉?而不必整個(gè)波形 不變 奈奎斯特 Nyquist 第一 第二和第三準(zhǔn)則分別研究了抽樣值無(wú)失真 轉(zhuǎn)換點(diǎn)無(wú)失真和脈 沖波形面積保持不變?nèi)N情形 更加詳細(xì)的信息可以參見(jiàn)文獻(xiàn) 14 16 其中抽樣值無(wú)失真準(zhǔn)則要求系統(tǒng)的總傳輸特性 滿足下式 Hw2 iiT 式中 表示碼元傳輸周期 上式表明 系統(tǒng)的傳輸函數(shù) 移位 為整數(shù) 后再疊加 T 2iT 其值在 內(nèi)表現(xiàn)為常數(shù) 不必嚴(yán)格為 則系統(tǒng)滿足無(wú)碼間干擾傳輸要求 顯然理想低通濾w T 波器滿足此要求 但在物理實(shí)際中這樣的濾波器是不能實(shí)現(xiàn)的 因?yàn)樗念l譜具有無(wú)限陡峭的過(guò)渡 帶以及全零的區(qū)域 這與佩利 維納準(zhǔn)則相悖 實(shí)際中廣泛應(yīng)用的是以 為中心 具有奇對(duì)稱升余弦過(guò)渡帶的一類無(wú)串?dāng)_波形 通常稱之為T 升余弦滾降信號(hào) 其時(shí)域表達(dá)式為 2sincos 14tTtht 在時(shí)域 除抽樣點(diǎn) t 0 幅值不為零外 其余所有樣點(diǎn)上均為零 不會(huì)帶來(lái)樣點(diǎn)幅值失真 實(shí)際 ht 中抽樣的時(shí)刻不可能完全沒(méi)有誤差 抽樣脈寬也不嚴(yán)格為零 因此 為了減小抽樣定時(shí)脈沖誤差所 帶來(lái)的影響 滾降系數(shù) roll off factor 不能太小 一般不小于 0 2 1 4 眼圖及其模型 眼圖是指利用實(shí)驗(yàn)的方法估計(jì)和改善 通過(guò)調(diào)整 傳輸系統(tǒng)性能時(shí)的在示波器上觀察到的圖形 5 因其類似人的眼睛而稱為 眼圖 得到眼圖的方法是 將接受波形輸入示波器的垂直放大器 把 產(chǎn)生水平掃描的鋸齒波周期與碼元定時(shí)同步 由于熒光屏的余輝作用 若干碼元重疊形成眼圖 軟 件產(chǎn)生眼圖的方法本文用 MATLAB 仿真 從眼圖我們可以觀察到很多東西 比如噪聲的大小 用來(lái)傳輸序列的信道的帶寬 但是眼圖并 不適合觀察連續(xù)的數(shù)據(jù)流 6 眼圖顯示了數(shù)字基帶信號(hào)波形可能取得的所有瞬時(shí)值 在完全隨機(jī)輸入的情況下 由于各個(gè)碼 元波形疊加 會(huì)在眼圖中形成若干眼孔 眼孔的張開(kāi)度能充分說(shuō)明傳輸信號(hào)的質(zhì)量 眼孔在水平軸 上的交叉點(diǎn)稱為水平聚集點(diǎn) 兩個(gè)聚焦點(diǎn)的距離稱為眼圖的水平張開(kāi)距離 眼孔的最大垂直距離稱 為眼圖的垂直張開(kāi)度 又稱眼圖的幅度 在理想 即無(wú)噪聲和碼間串?dāng)_ 的情況下 眼圖垂直聚焦十 分清晰 水平聚焦收斂于同一過(guò)零點(diǎn) 當(dāng)出現(xiàn)噪聲和碼間干擾時(shí) 眼圖的上升沿 下降沿變粗變模 糊并形成帶狀 水平聚焦點(diǎn)擴(kuò)散晃動(dòng) 擴(kuò)散晃動(dòng)的寬度稱為抖動(dòng) 水平和垂直張開(kāi)度相繼減小 根 據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 當(dāng)信噪比在 25 30dB 時(shí) 眼圖的清晰度是令人滿意的 7 為了說(shuō)明眼圖和系統(tǒng)性能的關(guān)系 將眼圖簡(jiǎn)化成理想的模式 如下圖 注 a 無(wú)失真基帶信號(hào)波形及眼圖 b 有失真 碼間干擾 的波形及眼圖 c 理想化眼圖模型 圖 1 3 眼圖模型 Fig 1 3 MODEL Of EYE DIAGRAM 圖 2 3 a b 兩圖大致說(shuō)明了眼圖的形成原理及眼圖與碼間干擾的關(guān)系 從 c 小圖的理想 眼圖以及下圖的眼圖實(shí)例 8 圖 1 4 眼圖模型 2 Fig 1 4 MODEL 2 Of EYE DIAGRAM 可以看出眼圖反映著系統(tǒng)與傳輸?shù)脑S多東西 現(xiàn)綜合以上兩圖歸納出眼圖模型的參數(shù) 1 眼圖幅度 L 眼圖得高低電平峰峰值 即眼圖張開(kāi)的大小 反映著系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱 2 過(guò)沖 有上過(guò)沖和下過(guò)沖 上下過(guò)沖在眼圖上表現(xiàn)為眼皮的厚度 2 10 d 一般而言 眼皮越厚 則噪聲和碼間干擾 ISI 越嚴(yán)重 3 抖動(dòng) J 數(shù)字信號(hào)跳變沿對(duì)其理想位置的偏離 反映過(guò)零點(diǎn)失真的大小 4 上升時(shí)間 從標(biāo)稱幅度 L 的 20 上升的 80 所用的時(shí)間 另一個(gè)相似的參數(shù)是曲線rt 上升的斜率 它們反映著系統(tǒng)對(duì)定時(shí)誤差的敏感度 上升時(shí)間快慢還一定程度上說(shuō)明了系 統(tǒng)的帶寬大小 2 眼圖的硬件實(shí)現(xiàn) 2 1 TIMS 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 TIMS 是 Telecommunications Istructional Modeling System 通信教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 的首字母縮略寫 法 針對(duì)通訊和信號(hào)處理課程而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng) 它由不同的插入式和固定式模塊組成 TIMS 提供一個(gè)開(kāi)放式教學(xué)環(huán)境 可同時(shí)做傳統(tǒng)電子電路的特性與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的比較 TIMS 系統(tǒng) 完全自給自足 唯一的額外設(shè)備是一臺(tái)示波器 9 TIMS 系統(tǒng)核心由硬件組件和手冊(cè)所組成 共有兩種硬件組件 第一種硬件組件是 TIMS 301F 的系統(tǒng)單元 有固定式模塊 機(jī)架下層 和 12 組模塊插槽 機(jī)架上層 第二種硬件組件是 13 組插入 式基本模塊 固定式模塊使用率最高因而內(nèi)建在系統(tǒng)里 插入式模塊是根據(jù)所要做的實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇 并插入大系統(tǒng)機(jī)架里使用 插入式和固定式模塊前面板的規(guī)劃都是面板左邊為輸入 右邊為輸出 所有輸入和輸出都以顏色來(lái)表示信號(hào)形態(tài) 黃色代表模擬信號(hào) 紅色代表數(shù)字信號(hào) 固定式模塊包括 8 個(gè)模塊 1 主震蕩器 Master Signals 同步正交載波 取樣和信息信號(hào) 2 緩沖放大器 Buffer Amplifier 含兩組可變的獨(dú)立放大器 3 頻率和信號(hào)計(jì)數(shù)器 Frequency Event Counter 多功能 8 位數(shù)計(jì)頻器和信號(hào)計(jì)數(shù)器 4 可變直流電壓輸出 Variable DC 可調(diào)范圍正負(fù) 2V DC 輸出 5 示波器選擇器 Scope Selector 切換選擇欲顯示的信號(hào) 于示波器上顯示 6 音頻放大器 Headphone Amplifier 同時(shí)也是 3kHz 低通濾波器 7 TIMS 干線輸出 Trunks Output 8 電源供給 Power Supply 基本模塊是基礎(chǔ)的組件 包括有 1 TIMS 147 加法器 Adder 2 TIMS 148 音頻振蕩器 Audio Oscillator 3 TIMS 149 雙模擬開(kāi)關(guān) Dual Analog Switch 4 TIMS 150 乘法器 Multiplier 5 TIMS 151 移相器 Phase Shifter 6 TIMS 152 正交分相器 Quadrature Phase Shifter 7 TIMS 153 序列產(chǎn)生器 Sequence Generator 8 TIMS 154 可調(diào)低通濾波器 Tuneable LPF 9 TIMS 155 雙脈沖產(chǎn)生器 Twin Pulse Generator 10 TIMS 156 共享模塊 Utilities 11 TIMS 157 電壓控制振蕩器 VCO 12 TIMS 158 60kHz 低通濾波器 60kHz LPF 眼圖實(shí)驗(yàn)需要用到的模塊很少 基本的為序列產(chǎn)生器 Sequence Generator 和可調(diào)低通濾波器 Tuneable LPF 可選擇的基本模塊為音頻振蕩器 Audio Oscillator 以定時(shí) 為了使實(shí)驗(yàn)更復(fù)雜 一點(diǎn)還可選擇基帶濾波器 Baseband Filters 和 PICO 虛擬儀器 Virtual Instrument 但由于后面兩 個(gè)模塊沒(méi)有 另外缺少噪聲發(fā)生器 Noise Generator 所以硬件的眼圖實(shí)驗(yàn)只選了前三個(gè)模塊 以 及外接的一臺(tái)普通的數(shù)字示波器 oscilloscope 本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)在軟件仿真 下面詳細(xì)介紹以上三 個(gè)模塊 TIMS 148 音頻振蕩器 Audio Oscillator 具有 500Hz 到 10kHz 頻率可調(diào)范圍的正弦 波源 提供三組輸出 兩組正交正弦波和一組 TTL 準(zhǔn)位信號(hào) TIMS 153 序列產(chǎn)生器 Sequence Generator 使用外接時(shí)鐘脈沖信號(hào) 序列產(chǎn)生器輸出 兩組獨(dú)立的偽隨機(jī)序列 X 和 Y 有模擬與 TTL 準(zhǔn)位兩種信號(hào)模式 可由開(kāi)關(guān)選擇位隨機(jī)序 列長(zhǎng)度 同步信號(hào)輸出 SYNC output 與序列信號(hào)的開(kāi)始是一致的 并可供重置信號(hào)輸 入 TIMS 154 可調(diào)低通濾波器 Tuneable LPF 低通濾波器的截至頻率可由前面板旋鈕改 變 濾波器有兩種頻率范圍 WIDE 2kHz 至 10kHz 和 NORMAL 900Hz 至 5kHz 增益 GAIN 旋鈕調(diào)整濾波器的幅值大小 最小可接近 0 2 2 眼圖的觀察及結(jié)果 實(shí)驗(yàn)中將音頻振蕩器 序列產(chǎn)生器 可調(diào)低通濾波器如下圖連接 10 圖 2 1 眼圖的連接電路 Fig 2 1 Eyes Plan to Connect Circuit CH1 和 CH2 接示波器 通過(guò)調(diào)節(jié)示波器的水平掃描的鋸齒波周期與碼元定時(shí)同步觀察實(shí)驗(yàn)結(jié) 果 實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸速率 data rate 而保持可調(diào)低通濾波器 LPF 帶寬不變 以及調(diào)節(jié) LPF 的帶寬保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率不變分別觀察眼圖的形狀 眼圖在示波器上的形狀如下所示 a b c d e f 圖 2 2 眼圖觀察結(jié)果 Fig 2 2 Pictures Of Eye Diagram 圖 d 顯示了調(diào)整時(shí)鐘速率與低通濾波器帶寬后的輸入序列 上半圖黃色區(qū) 和相應(yīng)輸出序列的 眼圖 下半圖藍(lán)色區(qū) 單獨(dú)的眼圖見(jiàn)圖 f e 是放大后的眼圖 從該圖可以看出碼間干擾很小 帶寬比較窄 只濾出了頻率比較低的部分 高頻率部分被濾除掉 通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) A 保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率不變 降低 LPF 的帶寬 將不能形成清晰的眼圖 圖形波動(dòng)不定 B 保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率不變 提高 LPF 的帶寬 眼圖逐漸清晰 如圖 d 當(dāng)再往上調(diào) 眼圖出現(xiàn) 上下過(guò)沖 隨著帶寬的進(jìn)一步增加 將出現(xiàn)圖 a 所示圖形 輸出波形與輸入波形及其接近 但在跳變處 上下波動(dòng)的現(xiàn)象始終存在 這就是所謂的吉布斯 Gibbs 現(xiàn)象 C 保持 LPF 的帶寬不變 將音頻振蕩器的頻率調(diào)節(jié)旋鈕從最低慢慢調(diào)高 則示波器顯示的 波形開(kāi)始如 B 所述 出現(xiàn)吉布斯現(xiàn)象 接著上下過(guò)沖明顯出現(xiàn) 再慢慢融合 逐漸出現(xiàn)清 晰的眼圖 最后 當(dāng)速率很高時(shí) 出現(xiàn)如 A 所述圖形 不能形成眼圖 說(shuō)明碼間干擾極其 嚴(yán)重 b c 兩小圖是形成眼圖 e 的瞬間照片 輸出波形較輸入信號(hào)有些延遲 但群延遲為常數(shù) 不會(huì)產(chǎn)生相位失真 并且碼間干擾很小 所以眼圖很清晰 幅度較大 從而系統(tǒng)抗干擾能力較強(qiáng) 眼皮厚度接近原輸入信號(hào) 上下過(guò)沖很不明顯 運(yùn)用通信原理及相關(guān)知識(shí)是不難解釋以上現(xiàn)象的 當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率不變 LPF 帶寬很窄時(shí) 所得 波形頻率很低 周期很大 在原有的水平掃描周期下看起來(lái)是一些隨意波動(dòng)的正弦波 隨著 LPF 的 帶寬拓展 所得波形頻率升高 周期變小 當(dāng)與水平掃描周期基本一致時(shí) 則可形成清晰的圓弧形 眼皮的眼圖 直至帶寬達(dá)到最大 通過(guò)的頻率越來(lái)越豐富 逐漸接近原方波 出現(xiàn)小圖 a 的形 狀 但在跳變處將出現(xiàn)起伏振蕩 其峰起值約趨于總跳變值的 9 此現(xiàn)象稱為 Gibbs 現(xiàn)象 反之 保持 LPF 帶寬不變 逐漸提高數(shù)據(jù)傳輸率 其效果等價(jià)于逐漸降低 LPF 的帶寬 故此出現(xiàn)與前者相 反的現(xiàn)象 所以 要想觀察到清晰圓滑的眼圖 必須使數(shù)據(jù)傳輸速率和低通濾波器的帶寬相適應(yīng) 二者可以同時(shí)調(diào)節(jié) 也可單調(diào)其一 至于超出模塊的取值范圍則不在此列 3 眼圖的 MATLAB 仿真 3 1 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB語(yǔ)言起源于矩陣運(yùn)算 如今已經(jīng)發(fā)展成為一種高度集成的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言 在當(dāng)今科學(xué)界 尤其是自動(dòng)控制領(lǐng)域 最有影響力 也最有活力 它提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算 靈活的程序設(shè)計(jì)流 程 高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì) 便捷的與其他程序和語(yǔ)言的接口 11 MATLAB 將高性能的數(shù) 值計(jì)算和可視化集成在一起 并提供了大量的內(nèi)置函數(shù) 從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算 控制系統(tǒng) 信息處理等領(lǐng)域的分析 仿真和設(shè)計(jì)工作 而且利用MATLAB產(chǎn)品的開(kāi)放式結(jié)構(gòu) 可以非常容易地對(duì) MATLAB的功能進(jìn)行擴(kuò)充 相對(duì)于傳統(tǒng)的C C 或者FORTRAN語(yǔ)言 MATLAB提供了高效快速解決各種 科學(xué)計(jì)算問(wèn)題的方法 12 MATLAB是一種十分高效的語(yǔ)言 可以將使用者從繁瑣的頂層編程中解放 出來(lái) 從而把有限的時(shí)間和精力放在更有意義的解決實(shí)際問(wèn)題中來(lái) 值得一提的是 MATLAB中的 Simulink工具箱可以實(shí)現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和 數(shù)據(jù)交換 Simulink是用來(lái)建模 分析和仿真各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的交互環(huán)境 包括連續(xù)系統(tǒng) 離散系統(tǒng) 和混合系統(tǒng) 支持連續(xù) 離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng) 也支持多種采樣速率的多速率系統(tǒng) Simulink 為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口 它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用差分方程和微分方 程建模相比 更直觀 方便和靈活 用戶可以在MATLAB和Simulink 兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn) 行仿真 分析和修改 13 Simulink 提供了采用鼠標(biāo)拖放的方法建立系統(tǒng)框圖模型的圖形交互平臺(tái) 通過(guò)Simulink提供的豐富的功能塊 可以迅速地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型 同時(shí)Simulink 還集成了 Stateflow 用來(lái)建模 仿真復(fù)雜事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的邏輯行為 另外 Simulink也是實(shí)時(shí)代碼生成工具 Real Time Workshop 的支持平臺(tái) 用于實(shí)現(xiàn)通信仿真的通信工具包 Communication Toolbox 也叫Commlib 通信工具箱 是 Matlab語(yǔ)言中的一個(gè)科學(xué)性工具包 提供通信領(lǐng)域中計(jì)算 研究模擬發(fā)展 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的功能 可以在Matlab 環(huán)境下獨(dú)立使用 也可以配合Simulink使用 效果更好 圖 3 1 Simulink模塊庫(kù) Fig 3 1 Simulink Library Browser 圖 3 2 MATLAB的工具箱 Fig 3 2 Toolboxes Of MTALAB 3 2 眼圖的仿真及結(jié)果 眼圖的仿真主要依據(jù)是數(shù)字通信系統(tǒng)的模型 如圖 2 1 和圖 2 2 可知 主要有以下幾步 數(shù)字信源 調(diào)制 信道 噪聲 濾波器 眼圖 具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是這樣的 數(shù)字信源用 randint 函數(shù)產(chǎn)生 M 進(jìn)制的隨機(jī)輸入 接著對(duì)該數(shù)字信源采取 QAM PSK 或 PAM 等三種調(diào)制 調(diào)制的或未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)通過(guò)高斯信道 再通過(guò)一個(gè)濾波器 通常 為升余弦濾波器 最后將輸出的信號(hào)輸入 示波器 進(jìn)行眼圖的觀察 很顯然 眼圖可以在許多 地方得到 在與眼圖的所有相關(guān)聯(lián)的傳輸路徑中 任何參數(shù)的變化 都有可能改變眼圖的形狀 但 通過(guò) MATLAB 的交互實(shí)驗(yàn)仿真 不難得出影響眼圖的主要的因素 從而得出眼圖的主要判斷點(diǎn)在哪 這里主要考慮隨機(jī)噪聲 調(diào)制 信道和接收濾波器對(duì)傳輸質(zhì)量的影響 影響的結(jié)果通過(guò)眼圖的好壞 來(lái)判斷 這四個(gè)參量中 隨機(jī)噪聲和信道是使得眼圖變壞 理論上可以通過(guò)調(diào)制來(lái)提高信號(hào)抗干擾的能 力 利用接收濾波器減小碼間干擾和濾除部分噪聲 一 隨機(jī)噪聲 隨機(jī)噪聲的來(lái)源有自然界中的各種電磁噪聲和設(shè)備本身產(chǎn)生的熱噪聲 散粒噪 聲 它們的特點(diǎn)是不能預(yù)測(cè) 此種干擾對(duì)信號(hào)的傳輸有著怎樣的影響呢 自然也是不能預(yù)測(cè)的 但 顯然是不利于傳輸?shù)?在程序中用 rand 1 rand 模擬隨機(jī)噪聲 前者為噪聲的系數(shù) 幅度 是間 于 0 至 1 隨機(jī)數(shù) 為了利于對(duì)比 先給出二進(jìn)制信源的眼圖 再加入噪聲 圖 3 3 信源的眼圖 Fig 3 3 Eye Diagram with No Noise M 2 Define the M ary number Fd 2 Fs 40 sampling rates Pd 200 Number of points in the calculation msg o randint Pd 1 M Random integers in the range 0 M 1 original signal snr 10 Signal to noise rate Modulate using square QAM PAM k rand 1 coefficient noise k rand size msg o nmsg m msg o noise Add random noise to msg o Transmited through AWGN channel y awgn msg o snr measured Original signal through AWGN channel z awgn msg m snr Modulated signal through AWGN channel Assume the channel is equivalent to a raised cosine filter delay 3 Delay of the raised cosine filter rcva rcosflt z Fd Fs fir normal 5 delay signal z be Filtered Truncate the output of rcosflt to remove response tails N Fs Fd propdelay delay N 1 Propagation delay of filter rcv1 rcva propdelay end propdelay 1 Truncated version Plot the eye diagram of the resulting signal sampled and displayed with no offset 注 該程序生成經(jīng)過(guò) PSK 調(diào)制 信道為信噪比為 10dB 的高斯白噪聲 濾波器為 FIR 升余弦的眼圖 其他眼圖的產(chǎn)生 需要改變一些參數(shù) 但都可以由此程序而生 為節(jié)省篇幅 不再附上 如果要看動(dòng)畫的眼圖 可以用函數(shù) animatescattereye 實(shí)現(xiàn) offset 0 h1 eyediagram rcv1 N 1 Fd offset set h1 Name PSKMOD Eye Diagram Through AWGN 致謝 盡管畢業(yè)設(shè)計(jì)不像學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程那樣時(shí)刻有老師的叮囑和教材的預(yù)先設(shè)計(jì) 但在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程 中嘗到的任何一點(diǎn)進(jìn)步 不論多么微小 都給自己以歡樂(lè)和鮮有的成就感 特別是當(dāng)經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)久的 蟄伏終于有了一點(diǎn)靈光的時(shí)候 某些哲學(xué)的思緒會(huì)在腦中浮現(xiàn) 而這些是在平時(shí)的課程學(xué)習(xí)當(dāng)中很 難感受到的 在這里 首先感謝我畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師趙睿老師 是她的悉心指點(diǎn)和耐心指導(dǎo) 讓我不僅完 成了大學(xué)里頭最重要的事情 也使我學(xué)到了不少新東西 尤其是她在五一期間給我的教導(dǎo) 幾乎整 個(gè)的改變了我以后做畢業(yè)設(shè)計(jì)的心情和態(tài)度 每次有問(wèn)題或需要幫助的時(shí)候 她都是盡力幫我闡明 及時(shí)地指出我許多方向性的問(wèn)題 其次要感謝電子教研室的許多老師們 在他們的精心安排下 我才有了完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的寬松的 環(huán)境和良好的條件 感謝每一位辛勤執(zhí)教的老師 是他們教給了我日后所需的專業(yè)知識(shí) 也在人格 方面潛移默化地感染著我 讓我自學(xué)能力得到培養(yǎng) 學(xué)習(xí)以及對(duì)待科學(xué)的態(tài)度有了正確的基礎(chǔ) 感謝我的前任班主任馬鳳翔老師 感謝她對(duì)我的關(guān)懷 理解和支持 最后 將我的謝意送給與我一起度過(guò)四年學(xué)習(xí)生涯的同學(xué)們 我從他們身上獲益良多 曾經(jīng)一 同分享快樂(lè) 度過(guò)人生中最美好的日子 參考文獻(xiàn) 樊昌信等 通信原理 第 5 版 M 北京 國(guó)防工業(yè)出版社 2001 1 116 2 通信與信息處理實(shí)驗(yàn)中心 通信系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) DB OL 3 美 William H Tranter 等著 肖明波等譯 通信系統(tǒng)仿真原理與無(wú)線應(yīng)用 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2005 194 214 4 曹志剛 錢亞生 現(xiàn)代通信原理 M 北京 清華大學(xué)出版社 1992 2 317 5 沈越泓 高媛媛 魏以民 通信原理 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 141 143 6 Instructor s Manual to accompany TIMS M Tim Hooper 2001 104 105 7 李倜 寧金輝 數(shù)字分量圖像信號(hào)系統(tǒng)的檢測(cè) 上 J 世界廣播電視 2003 9 8 謝筱 試論基帶數(shù)字與模擬視頻測(cè)量的區(qū)別 J 廣播與電視技術(shù) 2004 1 9 TIMS 通訊教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手冊(cè) M 北京 北京掌宇金儀科教儀器設(shè)備有限公司 1 9 10 覃振興 TIMS 通信原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) D 北京 北京林業(yè)大學(xué) 2006 11 董長(zhǎng)虹 Matlab 信號(hào)處理與應(yīng)用 M 北京 國(guó)防工業(yè)出版社 2005 1 2 12 恒潤(rùn)科技 MATLAB 產(chǎn)品手冊(cè) DB OL 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