通信电路与系统
实验一 简单基带传输系统分析举例
【分析内容】构造一个简单适宜性基带传输系统。以双极性PN 码发生器来模拟一个数据信源,码速率100bit/s,低通型信道噪声为加性高斯噪声(标准差=0.3V)。要求:
1. 观测接收输入和滤波输出的时域波形。 2. 观测接收滤波器输出的眼图。
【分析目的】掌握观察系统时域波形,重点学习和掌握观察眼图的操作方法。 【系统组成及原理】简单的基带传输系统原理框图如图2-1-1所示,该系统并不
是码间干扰设计的,为使基带信号能量更为集中,形成滤波器采用高斯滤波器。 【创建分析】
第1步:进入SystemView 系统视窗,设置“时间窗”参数如下: ① 运行时间:Start Time:0s ,Stop Time:0.5s ② 采样频率:Sample Rate:10000Hz 。
第2步:调用图符块创建如图2-1-2所示的仿真分析系统:
图表 1 系统模型图
其中,Token1 为高斯脉冲形成滤波器,Token3为高斯噪声滤波器,它来自
操作库中的“LinearSys ”图符按钮。
第三步:单机运行按钮,运算结束后,按“分析窗”按钮,进入分析窗后,单击“绘制新图”按钮,则从sink9~sink12显示活动窗口分别显示出“PN 码输出”、“信道输入”、“信道输出”和“判决比较输出”时域波形,如图2-1-2所示。
第四步:观察信源PN 码和波形形成输出的功率谱。通过两个信号的功率谱可以看出,波形形成信号功率谱主要集中在低频端,能量相对集中,而PN 码的功率谱主瓣外的分量较大。在分析窗下,单击信宿计算器按钮,在出现的“System Sink Calculator ”对话框单击Spectrum 按钮,分别得到sink9和sink10的功率谱窗口后,可将这两个功率谱合成在同一个窗口中进行对比。
第五步:观察信道输入和输出信号眼图。眼图仍为时域波形。当品目上出现波形显示活动窗口后,单击“System Sink Calculator”对话框中的STYLE 和TIME SLICE 按钮,设置好:Start Time【sec 】和Length 【sec 】栏内参数后单击该对话框内的OK 按钮即可。
从上述仿真分析可以看出:经高斯滤波器形成处理后的基带信号波形远比PN 码信号平滑,信号能量主要集中于10倍码率以内,经低通型限带信道后信号能量损失相对较小,由于信道的不理想和叠加噪声的影响,信道输出眼图将比输入的差些,改变信道特性和噪声强度,眼图波形将发生明显畸变,接收端误码率肯定相应增大。
可见,基带传输系统中不应直接传送方波码序列信号,应经过波形形成,从而使信号能量更为集中,并通过均衡措施达到或接近无码间干扰系统设计要求。另外,眼图观察法的确是评测基带系统传输质量的简便有效实验方法。
【实验结果】:
(1)传输过程
图表 2 传输过程
分析: 由信源产生的双极性PN 码经过信道传输后,最终在输出端经过判决还原出了与输入信号完全一致的波形。仔细观察发现输出波形略微有一点延迟。另外,从图中明显可以看出右上角的波形比左下角的波形有更多杂波,这是因为其叠加了信道噪声。
(2)PN 码信号与波形生成器输出信号的功率谱比较
图表 3 PN码与波形生成器输出的功率谱对比
分析:
从上图可以看出,经过波形生成器后的输出信号,功率谱要比PN 码本身的功
率谱更集中在低频段,因此经过后置的低通滤波器后能量损失要相对小一些。
(3)眼图
图表 3 信道输入信号眼图
图表 4 信道输出信号的眼图
分析: 由于信道的噪声,信道输出眼图必然会相对于输入眼图发生畸变,从而使误码率上升。但上图中的信道输出眼图波形尚可以较为准确地进行判决。 【实验心得】:
通过本次实验,我学会了system view的一些基本操作,并且利用该软件观察
了信号经过信道传输之后再还原波形的过程,同时对利用功率谱验证了使用波形生成器的必要性,最后还学习了绘制眼图,并体会到了信道噪声对眼图造成的畸变。
实验二 二进制键控系统分析
【实验目的】由于本实验是利用System View 进行仿真分析的第一个上机实验,故安排了较为简单的2ASK 和2FSK 系统分析内客,上机操作步骤介绍得也很详细。建议除按照实验的分析内容要求得到分析结果外,应进一步熟悉软件的主要操作步骤.
一、相干接收2ASK 系统分析
1. 相干接收2ASK 系统工作原理。系统组成如图3-1-1所示:
2. 上机操作步骤
根据图3-1-I 所示系统,在System View系统窗下创建仿真系统,首先设置时时间窗,运行时间:0-0.3秒,采样速率:10000Hz ①组成系统如下图所示:
图表1 系统模型图
②系统图符块参数参数设置如下表所示;
表格1 系统图符块参数参数设置
3. 分析内容要求
①在系统窗下创建仿真系统,观察指定分析点的波形、功率谱及谱零点带宽; ②改变元件设置参数,观察仿真结果;如果PN 码改为双极性码(Amp=lv,Offset=0v) 能产生2ASK 信号吗? 此时产生的是什么数字调制信号? 改变高斯噪声强度,观察解调波形变化,体会噪声对数据传输质量的影响。
③进一步熟悉软件的主要操作步骤 【实验结果】:
(1)调制信号是PN 码
分析:可以看出,基带信号的能量主要集中在低频部分,而经过乘法器混频后的调制信号,其能量集中在载波频率即3KHz 附近。从图中粗略地观察到谱零点带宽约为200Hz ,这符合理论计算中的码元速率的2倍。(此处码元速率为100bit/sec)
(2)将PN 码改为双极性码:
分析:
如果把PN 码改为双极性码,那么调制波形不再是2ASFK ,而是BPSK 波形。
其功率谱的结构与PN 码大致相同,谱零点带宽也相同,为200Hz 左右。
(3)将信道噪声提高到1V 的结果
分析:
为了体会信道噪声对于信号传输的影响,我们把原先的高斯噪声从0.3V 调高至1V ,结果如上图所示,在末尾的码元处发生了误码现象。此现象充分验证了信道噪声越大误码率越高的结论。
二、2FSK 系统分析
1.2FSK 系统组成
以话带调制解调器中CCITT V.23建议规定的2FSK 标准为例,该标准为:码速率I200bit/s:f0=1300Hz及f 1=2100Hz。要求创建符合CCITT V 23建议的2FSK 仿真系统,调制采用“载波调频法”产生CP-2FSK 信号,解调采用“锁相鉴频法’,。系统组成如图3-1-3为了提高接收端的抗干扰能力,对于接收滤波器输出的模拟电压通常采用“采样十判决” 的处理方式。在本实验中,可在同样噪声干扰时比较仅采用“判决”的波形整形方式与“采样+判决”的处理方式的效果。
2. 上机操作步骤
根据图3-1-3所示系统,在SystemView 系统窗下建立仿真系统,首先设置时间窗,运行时间0-0.1秒,采样速率:10000Hz
①组成系统如图3-1-4所示:
②系统图符块参数参数设置如下表所示:
表格2 2FSK仿真系统中各图符块的参数设置
以下三个问题需要再次提醒读者:
①在此2FSK 仿真系统中,对2FSK 这种数字调频信号的解调采用了PLL, 因为PLL 的一个重要应用功能就是鉴频功能,而且它比普通鉴频器的鉴频门限低4~5dB;
②PLL 的环路滤波器输出为鉴频输出并通过进一步的低通滤波(Token8)后分两路到“采样+判决(Tokenl4, 15, 17) ”和“无采样判决(Token20)”处理环节,前一种处理方式是规范的,但实际接收系统中的采样时钟应是位同步提取的时钟。 ③为什么非要先来样后判决才规范呢? 解调器输出应该是二进制逻辑电平,收码元的0/1状态是依靠滤波器输出信号的幅度来判决得到的,但滤波器输出信号为幅度伴有噪声和失真的模拟信号,幅度状态的随机性很大,通过“采样”处理可以大大降低噪声和失真的随机性,提高判决的正确性:没有采样处理的直接判决整形方式不利于提高判决的正确性,读者可以将构造系统中的信道高斯噪声图符块的标准偏差(Std Deviation)改为0.4v ,再观察Tokenl9和T oken2l 波形就会发现这两种判决处理在性能上的差别。
3. 分析内容要求
①在系统窗下创建仿真系统,观察各接收分析器( Sink/Analysis)的时域波形,体会各图符块在系统中的特殊作用; 观察接收分析器Tokenl0的功率谱,分析该2FSK 信号的主要信号能量是否可以通过话带(300Hz-3400H);
②在高斯噪声强度较小时,观察各个接受分析器( Sink/Analysis )时域波形; ③将Token3的标准偏差(Std Deviation)加到到0.4V ,再观察T okenl9和Token2l 的时域波形,思考并解释分析结果;
④观察滤波器输出模拟信号(Tokenl3) 波形和采样保持输出波形(Tokenl6),体
会“采样”处理环节的作用。
【实验结果】:
(1)原图难以看清输入与输出波形的关系,此图是在自己的电脑上截取。
分析:此图完整的显示了2FSK 信号从调制到传输再到解调的整个过程,可以看出输出波形与输入波形完全吻合,没有发生误码。
(2) 观察token10中的功率谱,判断调制信号能否通过300~3400Hz话带
图表 2 Token 10中的功率谱
分析:
如图中所标注,该2FSK 的功率主要集中在是1KHz 到2.2KHz ,因此可以通过300~3400Hz的话带。
(3)将Token3中的标准差调整到0.4V ,观察Token19和Token21的波形
分析:
Token19是对Token21采样后重建的波形,由图中的标识可以看到后者的波形明显与前者有三处不同,这样的误差就是增大了信道的噪声引起的。我们再一次体会到了信道噪声对于误码率的影响。
【实验心得】:
通过这次实验,我对于2ASK 和2FSK 有了更直观的认识,并在功率谱的层面上对两种信号进行了谱分析,这也使得我对它们的特点和性质有了更多元的认识。另外,实验中还通过更改各种噪声参数体会了噪声对于信号传输的影响以及。
这两次短暂的软件实验中,我们收获到的不仅仅是简单的软件操作层面上的东西,更重要的是把原先抽象的概念通过仿真具象化,这能够帮助我们更深刻地理解书本中所学内容,同时为下学期的课程设计做好铺垫。
最后,十分感谢老师的耐心指点和解答。