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数字通信原理实验箱眼图观察测量实验

  一、实验目的
学会观察眼图及其分析方法

二、数字通信原理实验箱实验电路工作原理
    我们知道衡量整个通信系统的传输质量,最直观的方法就是用眼图来观察传输畸变和噪声干扰。
    我们知道,在实际的通信系统中,数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变,信号通过信道后,也会引入噪声和干扰,也就是说,总是在不同程度上存在码间串扰。在码间串扰和噪声同时存在情况下,系统性能很难进行定量的分析,常常甚至得不到近似结果。为了便于评价实际系统的性能,常用观察眼图进行分析。
    眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响,是一种常用的测试手段。
    什么是眼图?
    所谓“眼图”,就是由解调后经过低通滤波器输出的基带信号,以码元定时作为同步信号在示波器屏幕上显示的波形。干扰和失真所产生的传输畸变,可以在眼图上清楚地显示出来。因为对于二进制信号波形,它很像人的眼睛的过程眼图。
    在图12-1中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”,一个无失真,另一个有失真(码间串扰)。
图12-1中可以看出,眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。眼图中央的垂直线表示取样时刻。当波形没有失真时,眼图是一只“完全张开”的眼睛。在取样时刻,所有可能的取样值仅有两个:+1或-1。当波形有失真时,在取样时刻信号取值分布在小于+1或大于-1附近,“眼睛”部分闭合。这样,保证正确判决所容许的噪声电平就减小了。换言之,在随机噪声的功率给定时,将使误码率增加。“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。
为便于说明眼图和系统性能的关系,我们将它简化成图12-2的形状。
由此图可以看出:(1)最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻;(2)眼睛闭合的速率,即眼图斜边的斜率,表示系统对定时误差灵敏的程度,斜边愈陡,对定位误差愈敏感;(3)在取样时刻上,阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量;(4)在取样时刻上,上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限,噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决;(5)阴影区与横轴相交的区间表示零点位置变动范围,它对于从信号平均零点位置提取定时信息的解调器有重要影响。实验室理想状态下的眼图如图12-3所示。
衡量眼图质量的几个重要参数有:
   1.眼图开启度(U-2ΔU)/U
指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。无畸变眼图的开启度应为100%。

无失真及有失真时的波形及眼图
                      图12-1  无失真及有失真时的波形及眼图
                        (a) 无码间串扰时波形;无码间串扰眼图
                        (b) 有码间串扰时波形;有码间串扰眼图

 
眼图的重要性质

图12-2   眼图的重要性质
   其中U=U++U-  
  2.“眼皮”厚度2ΔU/U
    指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比,无畸变眼图的“眼皮”厚度应等于0。
  3.交叉点发散度ΔT/T
    指眼图过零点交叉线的发散程度,无畸变眼图的交叉点发散度应为0。
  4.正负极性不对称度   
指在最佳抽样点处眼图正、负幅度的不对称程度。无畸变眼图的极性不对称度应为0。
最后,还需要指出的是:由于噪声瞬时电平的影响无法在眼图中得到完整的反映,因此,即使在示波器上显示的眼图是张开的,也不能完全保证判决全部正确。不过,原则上总是眼睛张开得越大,误判越小。
在图12-3中给出从示波器上观察到的比较理想状态下的眼图照片。


实验室理想状态下的眼图
图12-3  实验室理想状态下的眼图

三、实验内容
1.眼图观察及分析实验
2.仿真眼图观察测量实验

四、实验步骤
1. 打开实验箱右侧电源开关,电源指示灯亮。
2. 薄膜键盘选择“PSK调制解调”中某个数字基带信号。
3. 开关J701的1-2脚相连,将CPLD的可编程信号发生器产生的32Kbit/s数字基带信号直接送入眼图电路,观察TP708测量点的眼图波形;
4. 开关J701的2-3脚相连,将PSK解调模块解调还原的数字基带信号送入眼图电路。
5. 调整好PSK调制解调电路,在PSK模拟传输信道中不加入噪声的情况下(即K302的2-3脚连),观察TP708测量点的眼图波形;
6. 调整好PSK调制解调电路,在PSK模拟传输信道中加入噪声(即K302的1-2脚连),慢慢调整噪声信号的幅值(噪声模块中电位器W101),观察TP708测量点,即受干扰信号的眼图波形(注意噪声幅度不要太大,否则PSK将无法解调出基带信号);
7. 低通滤波器电路如图12-6。

五、测量点说明
1.TP705:为PSK解调电路的解调还原输出的数字基带信号。
2.TP708:为升余弦波波形,眼图观察测量点。
眼图观测方法:用示波器的一根探头(触发TRTIGGER档)放在TP901上(同步时钟),另一根探头放在TP708上(数字基带信号的升余弦波),调整示波器的扫描周期,使TP708的升余弦波波形的余辉反复重叠,则可观察到眼图波形;


眼图波形如图12-4所示。

  
眼图波形
图12-4  观测到的眼图波形

升余弦波波形如图12-5所示。

升余弦波波形
                
图12-5   观测到的升余弦波形


低通滤波器电原理图
图12-6 低通滤波器电原理图
六、实验报告要求
1.分析电路的工作原理,叙述其工作过程。
2.叙述眼图的产生原理以及它的作用。
3.绘出实验观察到的眼图形状。
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