基于MATLAB的眼圖仿真通信原理

1、-PAGE . z基于MATLAB的眼圖仿真及其與通信實驗箱之結(jié)果的比擬摘要通信實驗往往可以從硬件和軟件兩方面著手設(shè)計，并加以橫向比擬，從而到達(dá)更深刻地理解和領(lǐng)會通信理論原理的目的。本設(shè)計選取眼圖為研究對象?？煽啃允峭ㄐ畔到y(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，簡單直觀；除了用通信實驗箱實現(xiàn)眼圖的觀察外，軟件仿真具有前者所不具備的優(yōu)點，本設(shè)計以MATLAB為主要工具實現(xiàn)了眼圖的仿真模擬。硬件方面使用掌宇金儀科教儀器設(shè)備生產(chǎn)的TIMS-301 F系列實驗系統(tǒng)，只需較少的模塊就能完成眼圖的實現(xiàn)，缺點是靈活性不夠；MATLAB由初始的矩陣實驗室開展成

2、一款具有廣泛用途的科學(xué)實驗軟件，在通信系統(tǒng)仿真方面是有效而便捷的。MATLAB本身置功能強(qiáng)大的函數(shù)庫和講解詳細(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語言編程和Simulink動態(tài)建模兩種眼圖的實現(xiàn)方式，通過仿真有效的驗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，MATLABSimulation of Eye DiagramBased on Matlab& parison with the rusult of TIMS

3、AbstractE*periment in munication system can often be coducted on hardware as well as by sofeware, and by drawing parison with each other, the principles of the theories in munication system could be understood more deeply and properly . The Eye Diagram was chosed to be studied in this design. The re

4、liability is one of the most important inde*es in evaluating the performance of a munication system. Eye Diagram is such a tool to observe the performance of munication systems. By using an Eye Diagram, the magnitude of the noise and the Intersymbole Interference (ISI) could be diagnosed by and larg

5、e.Two methods were employed to achieve the Eye Diagram. One was the TIMS-301Fteaching & e*perimental system, which is simple but infle*ible; the other was using the language of MATLAB which contains programming by matlab and establishing drammic models of munication system in Simulink. parison was d

6、rawn 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 als

7、o tries to improve/adjust the munication system with the help of the Eye Diagram.Key Words: munication System, Eye Diagram, Simulation, MATLAB目錄-. z TOC h z t 標(biāo)1,1,標(biāo)2,2 HYPERLINK l _Toc1061767961 緒論 PAGEREF _Toc106176796 h 1HYPERLINK l _Toc1061767971.1 引言 PAGEREF _Toc106176797 h 1HYPERLINK l _Toc106

8、1767981.2 通信系統(tǒng)及其性能指標(biāo) PAGEREF _Toc106176798 h 2HYPERLINK l _Toc1061767991.3 碼間干擾及無失真?zhèn)鬏?PAGEREF _Toc106176799 h 4HYPERLINK l _Toc1061768001.4 眼圖及其模型 PAGEREF _Toc106176800 h 5HYPERLINK l _Toc1061768012 眼圖的硬件實現(xiàn) PAGEREF _Toc106176801 h 7HYPERLINK l _Toc1061768022.1 TIMS系統(tǒng)簡介 PAGEREF _Toc106176802 h 7HYPER

9、LINK l _Toc1061768032.2 眼圖的觀察及結(jié)果 PAGEREF _Toc106176803 h 8HYPERLINK l _Toc1061768043 眼圖的MATLAB仿真 PAGEREF _Toc106176804 h 12HYPERLINK l _Toc1061768053.1 MATLAB簡介 PAGEREF _Toc106176805 h 12HYPERLINK l _Toc1061768063.2 眼圖的仿真及結(jié)果 PAGEREF _Toc106176806 h 14HYPERLINK l _Toc1061768074 兩種結(jié)果的比擬及結(jié)論 PAGEREF _To

10、c106176807 h 32HYPERLINK l _Toc1061768085 附錄 PAGEREF _Toc106176808 h 33HYPERLINK l _Toc106176809致 PAGEREF _Toc106176809 h 35HYPERLINK l _Toc106176810參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc106176810 h 361 緒論1.1引言21世紀(jì)將是一個信息高速膨脹的信息社會，社會生產(chǎn)力水平的大力開展要求社會成員間的合作更加嚴(yán)密和高效，通信系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化因此顯得越來越重要；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

11、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)量問題 樊昌信等.通信原理第5版M.：國防工業(yè)，2001：1-116.；對于數(shù)字通信系統(tǒng)，具體來說，就是傳輸速率和過失率，過失率就是從可靠性的角度具體化的一個概念。通信系統(tǒng)的優(yōu)劣需要一個性能評價機(jī)制，眼圖就是一個簡單有效的定性衡量方法，通過眼圖還可以對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。由于眼圖實現(xiàn)所需的設(shè)備較少硬件只需一臺示波器，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)的性能的評定。從眼圖上還可以大致估計系統(tǒng)的防噪聲能力或信道受到噪聲污染的情況。當(dāng)然，眼圖并不是唯一評價方式，甚至也不是最

12、全的評價方式，信號星座圖從另一些方面反映了系統(tǒng)2 通信與信息處理實驗中心通信系統(tǒng)原理實驗指導(dǎo)書DB/OL../ups/file/200607/291153055626r.pdf，2007-5-24。在通信系統(tǒng)仿真中，眼圖和信號星座圖一起成為模型仿真后處理的一局部3 美William H.Tranter等著 肖明波等譯.通信系統(tǒng)仿真原理與無線應(yīng)用M.：機(jī)械工業(yè)，2005：194-214.。通信原理往往比擬抽象，理論如果能在實驗中得到驗證，必然可以加深對理論的理解，而本實驗從硬件和軟件兩方面對照，實現(xiàn)眼圖的觀察，相信會更好的了解眼圖，同時綜合軟硬件的優(yōu)

13、勢，克制各自的缺陷，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)，其一般模型如下列圖所示4 曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理M.：清華大學(xué)，1992：2-317.：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 MUNICATION SYSTEM通信系統(tǒng)按信道中所傳輸?shù)男盘柕念愋湍M信號還是數(shù)字信號又可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)，由于計算機(jī)的迅速開展，加之?dāng)?shù)字通信抗干擾能力強(qiáng)、易于實現(xiàn)集成化、便于多路復(fù)用、可將傳輸與交換結(jié)合起來、便于應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)等等優(yōu)點，數(shù)字通信已逐漸超越模擬通信而

14、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)過抽樣、量化，及便于傳輸而進(jìn)展的編碼等等步驟實現(xiàn)信號的離散化，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)展了調(diào)制，還需在收信端解調(diào)信號。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線信道；明線、對稱電纜、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，往往會帶來信號非線性失真。假設(shè)以表示發(fā)送和接收設(shè)備共同構(gòu)成

15、的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，由信號與系統(tǒng)的知識，信道的模型可概括如下：輸入輸出圖 1.2 信道模型Fig. 1.2 MODEL Of MUNICATION CHANNEL對于在計算機(jī)上仿真來說，不能像硬件實驗一樣真實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)來仿真，用來統(tǒng)指與所傳信號相異的信號，包括外部噪聲自然噪聲、認(rèn)為噪聲和信道部各種電子器件的部噪聲，它們總的以隨機(jī)信號的形式出現(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)。信噪比用來衡量噪聲平均功率相對信號平均功率的大小。以上模型將加性干擾歸入中，而乘性干擾在中得到反映。有

16、效性和可靠性是衡量通信系統(tǒng)的兩個主要性能指標(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)實際要求求得相對的統(tǒng)一，比方，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，但是不能無限相對而言地提高有效性而不降低系統(tǒng)可靠性能。對于模擬通信來說，有效性用有效傳輸帶寬來衡量，衡量可靠性用輸出信噪比；而對于數(shù)字通信，其有效性表達(dá)在一個信道通過的信息速率上，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，

17、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：單位時間所傳輸?shù)南?shù)目?？煽啃猿Ｓ眠^失率來表示：包括誤碼率和誤信率誤比特率，分別為傳輸錯誤的碼元比特數(shù)占傳輸碼元比特總數(shù)的概率。1.3 碼間干擾及無失真?zhèn)鬏斢尚盘柵c系統(tǒng)的知識知道，(波形)無失真?zhèn)鬏數(shù)睦硐肭闆r是傳輸函數(shù)滿足兩大條件：幅度響應(yīng)通帶為常數(shù)，帶外為零；通帶相位響應(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，則時域無限；因此滿足上述兩大無失真條件的信號其波形在時域上是無限延伸的，這就勢必會引起各碼元之間的相互竄擾。但在數(shù)字傳輸中情況有點不一樣；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

18、收端再生判決如能準(zhǔn)確恢復(fù)出幅度信息，則原始信碼就能無誤地得到傳送，故數(shù)字傳輸中只需特定時刻波形幅值無失真?zhèn)魉?，而不必整個波形不變。奈奎斯特Nyquist第一、第二和第三準(zhǔn)則分別研究了抽樣值無失真、轉(zhuǎn)換點無失真和脈沖波形面積保持不變?nèi)N情形，更加詳細(xì)的信息可以參見文獻(xiàn)14-16。其中抽樣值無失真準(zhǔn)則要求系統(tǒng)的總傳輸特性滿足下式：式中表示碼元傳輸周期；上式說明：系統(tǒng)的傳輸函數(shù)移位為整數(shù)后再疊加，其值在表現(xiàn)為常數(shù)不必嚴(yán)格為，則系統(tǒng)滿足無碼間干擾傳輸要求。顯然理想低通濾波器滿足此要求，但在物理實際中這樣的濾波器是不能實現(xiàn)的，因為它的頻譜具有無限陡峭的過渡帶以及全零的區(qū)域，這與佩利維納準(zhǔn)則相悖。實際中廣

19、泛應(yīng)用的是以為中心，具有奇對稱升余弦過渡帶的一類無串?dāng)_波形，通常稱之為升余弦滾降信號，其時域表達(dá)式為：在時域，除抽樣點t=0幅值不為零外，其余所有樣點上均為零，不會帶來樣點幅值失真。實際中抽樣的時刻不可能完全沒有誤差，抽樣脈寬也不嚴(yán)格為零，因此，為了減小抽樣定時脈沖誤差所帶來的影響，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驗的方法估計和改善通過調(diào)整傳輸系統(tǒng)性能時的在示波器上觀察到的圖形5 沈越泓，高媛媛，魏以民通信原理M.：機(jī)械工業(yè)，2004： 141-143，因其類似人的眼睛而稱為眼圖。得到眼圖的方法是：將承受波形輸入示波器的垂直

20、放大器，把產(chǎn)生水平掃描的鋸齒波周期與碼元定時同步，由于熒光屏的余輝作用，假設(shè)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，比方噪聲的大小，用來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 Instructors Manual to acpany TIMSM.Tim Hooper，2001：104-105.。眼圖顯示了數(shù)字基帶信號波形可能取得的所有瞬時值。在完全隨機(jī)輸入的情況下，由于各個碼元波形疊加，會在眼圖中形成假設(shè)干眼孔，眼孔的開度能充分說明傳輸信號的質(zhì)量。眼孔在水平軸上的穿插點稱為水平聚集點，兩個聚焦點的距離稱為眼圖的水平開距離，眼

21、孔的最大垂直距離稱為眼圖的垂直開度，又稱眼圖的幅度。在理想(即無噪聲和碼間串?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零點；當(dāng)出現(xiàn)噪聲和碼間干擾時，眼圖的上升沿、下降沿變粗變模糊并形成帶狀，水平聚焦點擴(kuò)散晃動(擴(kuò)散晃動的寬度稱為抖動)，水平和垂直開度相繼減小。根據(jù)實踐經(jīng)歷，當(dāng)信噪比在2530dB時，眼圖的清晰度是令人滿意的7 李倜，寧金輝. 數(shù)字分量圖像信號系統(tǒng)的檢測(上)J.世界播送電視，2003,9.。為了說明眼圖和系統(tǒng)性能的關(guān)系，將眼圖簡化成理想的模式，如下列圖：注：a無失真基帶信號波形及眼圖(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.

22、1.3 MODEL Of EYE DIAGRAM圖2.3a(b)兩圖大致說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列圖的眼圖實例8 謝筱試論基帶數(shù)字與模擬視頻測量的區(qū)別J播送與電視技術(shù)，2004，1.：圖 1.4 眼圖模型2Fig. 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)：眼圖幅度L：眼圖得上下電平峰峰值，即眼圖開的大小，反映著系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱。過沖：，有上過沖和下過沖。上下過沖在眼圖上表現(xiàn)為眼皮的厚度2d；一般而言，眼皮越厚，則噪聲和碼間干擾ISI越嚴(yán)重抖動J:數(shù)字信號跳

23、變沿對其理想位置的偏離，反映過零點失真的大小。上升時間：從標(biāo)稱幅度L的20%上升的80%所用的時間。另一個相似的參數(shù)是曲線上升的斜率，它們反映著系統(tǒng)對定時誤差的敏感度，上升時間快慢還一定程度上說明了系統(tǒng)的帶寬大小。2眼圖的硬件實現(xiàn)2.1 TIMS系統(tǒng)簡介TIMS是Telemunications Istructional Modeling System(通信教學(xué)實驗系統(tǒng))的首字母縮略寫法，針對通訊和信號處理課程而設(shè)計的實驗教學(xué)系統(tǒng)。它由不同的插入式和固定式模塊組成。TIMS提供一個開放式教學(xué)環(huán)境，可同時做傳統(tǒng)電子電路的特性與數(shù)字信號處理技術(shù)的比擬。TIMS系統(tǒng)完全自給自足，唯一的額外設(shè)備是一臺示

24、波器9 TIMS 通訊教學(xué)實驗系統(tǒng)實驗手冊M.：掌宇金儀科教儀器設(shè)備*，1-9。 TIMS系統(tǒng)核心由硬件組件和手冊所組成，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組插入式根本模塊。固定式模塊使用率最高因而建在系統(tǒng)里，插入式模塊是根據(jù)所要做的實驗來選擇，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表示信號形態(tài)：黃色代表模擬信號，紅色代表數(shù)字信號。 固定式模塊包括8個模塊：1.主震蕩器Master Signals：同步正交載波，取樣和信

25、息信號。2.緩沖放大器(Buffer Amplifier)：含兩組可變的獨立放大器。3.頻率和信號計數(shù)器(Frequency/Event Counter)：多功能8位數(shù)計頻器和信號計數(shù)器。4.可變直流電壓輸出(Variable DC)：可調(diào)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，于示波器上顯示。6.音頻放大器Headphone Amplifier：同時也是3kHz低通濾波器。7.TIMS干線輸出(Trunks Output)。8.電源供應(yīng)Power Supply。 根本模塊是根底的組件，包括有：1. TIMS-147 加法器Adder2. T

26、IMS-148 音頻振蕩器Audio Oscillator3. TIMS-149 雙模擬開關(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(Utilit

27、ies)11. TIMS-157 電壓控制振蕩器(VCO)12. TIMS-158 60kHz低通濾波器60kHz LPF眼圖實驗需要用到的模塊很少：根本的為序列產(chǎn)生器(Sequence Generator)和可調(diào)低通濾波器(Tuneable LPF)，可選擇的根本模塊為音頻振蕩器Audio Oscillator以定時，為了使實驗更復(fù)雜一點還可選擇基帶濾波器Baseband Filters和PICO虛擬儀器Virtual Instrument，但由于后面兩個模塊沒有，另外缺少噪聲發(fā)生器Noise Generator,所以硬件的眼圖實驗只選了前三個模塊，以及外接的一臺普通的數(shù)字示波器oscill

28、oscope；本實驗的重點在軟件仿真。下面詳細(xì)介紹以上三個模塊：TIMS-148 音頻振蕩器Audio Oscillator具有500Hz到10kHz頻率可調(diào)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。TIMS-153 序列產(chǎn)生器(Sequence Generator)使用外接時鐘脈沖信號，序列產(chǎn)生器輸出兩組獨立的偽隨機(jī)序列*和Y,有模擬與TTL準(zhǔn)位兩種信號模式，可由開關(guān)選擇位隨機(jī)序列長度，同步信號輸出SYNC output與序列信號的開場是一致的，并可供重置信號輸入。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

29、有兩種頻率圍：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)果實驗中將音頻振蕩器、序列產(chǎn)生器、可調(diào)低通濾波器如下列圖連接10 覃振興TIMS通信原理教學(xué)實驗設(shè)計D.：林業(yè)大學(xué)，2006：圖2.1 眼圖的連接電路Fig.2.1 Eyes Plan to Connect CircuitCH1和CH2接示波器，通過調(diào)節(jié)示波器的水平掃描的鋸齒波周期與碼元定時同步觀察實驗結(jié)果。實驗過調(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

30、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.2.2Pictures Of Eye Diagram圖(d)顯示了調(diào)整時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)，單獨的眼圖見圖(f)；(e)是放大后的眼圖，從該圖可以看出碼間干擾很小，帶寬比擬窄，只濾出了頻率比擬低的局部，高頻率局部被濾除掉。通過實驗發(fā)現(xiàn)：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，圖形波動不定。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)上下過沖，隨著帶寬的進(jìn)一步增加，將出現(xiàn)

31、圖(a)所示圖形，輸出波形與輸入波形及其接近，但在跳變處，上下波動的現(xiàn)象始終存在，這就是所謂的吉布斯Gibbs現(xiàn)象。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場如B所述，出現(xiàn)吉布斯現(xiàn)象，接著上下過沖明顯出現(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，出現(xiàn)如A所述圖形，不能形成眼圖，說明碼間干擾極其嚴(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有些延遲，但群延遲為常數(shù)不會產(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，上下過沖很不明顯。運用通信原理及相關(guān)知識是不難

32、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，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是一些隨意波動的正弦波；隨著LPF的帶寬拓展，所得波形頻率升高，周期變小，當(dāng)與水平掃描周期根本一致時，則可形成清晰的圓弧形眼皮的眼圖，直至帶寬到達(dá)最大，通過的頻率越來越豐富，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)，二者可以同時調(diào)節(jié)，也

33、可單調(diào)其一，至于超出模塊的取值圍則不在此列。3 眼圖的MATLAB仿真3.1MATLAB簡介MATLAB語言起源于矩陣運算，如今已經(jīng)開展成為一種高度集成的計算機(jī)語言，在當(dāng)今科學(xué)界尤其是自動控制領(lǐng)域最有影響力、也最有活力。它提供了強(qiáng)大的科學(xué)運算、靈活的程序設(shè)計流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計、便捷的與其他程序和語言的接口11 董長虹Matlab信號處理與應(yīng)用M.：國防工業(yè)，2005：1-2.。MATLAB 將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，并提供了大量的置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計工作，而且利用MATLAB產(chǎn)品的開放式構(gòu)造，可以非常容易地對

34、MATLAB的功能進(jìn)展擴(kuò)大，相對于傳統(tǒng)的C、C+或者FORTRAN語言，MATLAB提供了高效快速解決各種科學(xué)計算問題的方法12 恒潤科技MATLAB產(chǎn)品手冊DB/OL，2007-5-25。MATLAB是一種十分高效的語言，可以將使用者從繁瑣的頂層編程中解放出來，從而把有限的時間和精力放在更有意義的解決實際問題中來。值得一提的是，MATLAB中的Simulink工具箱可以實現(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是用來建模、分析和仿真各種動態(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)；Sim

35、ulink 為用戶提供了用方框圖進(jìn)展建模的圖形接口，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)境下對自己的模型進(jìn)展仿真、分析和修改13 徐素研等基于Mtlab語言的現(xiàn)代通信仿真分析J計算機(jī)應(yīng)用，2001，218：52-5314 B.S.Bosik，The Spectral Density of a Coded Digital SignalM.B.S.T.J.Vol.51,No.4,1972.15 E.D.Sunde，Theoretical Fundamentals of Pulse TransmissionM Par

36、t:.B.S.T.J.Vol.33,No.5,1954,Part : B.S.T.J.Vol.33,No.7,195416R.A.Gibby & J.W.Smith. Some E*tensions of Nyquist Telegraph Transmission TheoryM. B.S.T.J.Vol.44,No.9,1995.17*君里等.信號與系統(tǒng)(上)M.：高等教育. 2000,5. 100-309.18John G. Proakis, Masoud Salehi. Contempororary munication Systems Using MATLAB.：科學(xué). 2003 7

37、-264。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。通過Simulink提供的豐富的功能塊，可以迅速地創(chuàng)立動態(tài)系統(tǒng)模型。同時Simulink 還集成了Stateflow，用來建模、仿真復(fù)雜事件驅(qū)動系統(tǒng)的邏輯行為。另外，Simulink也是實時代碼生成工具Real-Time Workshop 的支持平臺。用于實現(xiàn)通信仿真的通信工具包(munication Toolbo* ,也叫mlib ,通信工具箱) 是Matlab語言中的一個科學(xué)性工具包，提供通信領(lǐng)域中計算、研究模擬開展、系統(tǒng)設(shè)計和分析的功能，可以在Matlab 環(huán)境下獨立使用，也可以配合Simulink使用(

38、效果更好)。圖3.1 Simulink模塊庫Fig.3.1 Simulink Library Browser圖3.2 MATLAB的工具箱Fig.3.2 Toolbo*es Of MTALAB3.2 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。具體的實現(xiàn)過程是這樣的：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)制的信號通過高斯信道，再通過一個濾波器通常為升余弦濾波器，最后將輸出的信號輸入示波器進(jìn)展眼圖的觀察。很顯然，眼圖可以在許

39、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MATLAB的交互實驗仿真，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傳輸質(zhì)量的影響，影響的結(jié)果通過眼圖的好壞來判斷。這四個參量中，隨機(jī)噪聲和信道是使得眼圖變壞，理論上可以通過調(diào)制來提高信號抗干擾的能力，利用接收濾波器減小碼間干擾和濾除局部噪聲。隨機(jī)噪聲。隨機(jī)噪聲的來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，它們的特點是不能預(yù)測，此種干擾對信號的傳輸有著怎樣的影響呢？自然也是不能預(yù)測的，但顯然是不利于傳輸?shù)?。在程序中用ra

40、nd(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)。為了利于比照，先給出二進(jìn)制信源的眼圖，再參加噪聲：圖 3.3 信源的眼圖Fig.3.3 Eye Diagram with No Noise & No Channel & No Modulation & No Filter經(jīng)過噪聲信號污染后，眼圖如下：圖3.4信源受污染后的眼圖Fig.3.4 Eye Diagram with Noise Effected左右兩圖是同一種傳輸方式下的眼圖，之所以眼圖有如此大的不同，與噪聲信號的系數(shù)k=rand(1)有很大關(guān)系：左圖中k=0.0635，接近0，右圖中k=0.8931，接近

41、1；很明顯，系數(shù)之后的噪聲rand()也是有關(guān)系的，但保持系數(shù)不變，眼圖的樣子根本不變這里就不提供仿真結(jié)果圖片了，可見，系數(shù)的影響在二進(jìn)制的傳輸中是決定作用的。信道。這里用白噪聲信道；其中很重要的一個參數(shù)是信噪比(signal-to-noiseratio，單位為dB(數(shù))=20log(S/N),S:信號功率，N:噪聲功率)。眼圖如下：圖 3.5 通過高斯信道的不同信噪比下的眼圖Fig.3.5 Eye Diagram through AWGN Of different SNR以上分別選取了snr=20、10和無窮小，對應(yīng)S/N為10、和1的眼圖，可見當(dāng)信號與噪聲功率相當(dāng)時，眼圖已經(jīng)明顯惡化。調(diào)制

42、。在信號發(fā)送端對信號進(jìn)展調(diào)制，以期改善系統(tǒng)性能。調(diào)制有模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種方式。在通信系統(tǒng)中，調(diào)制具有重要的作用。通過調(diào)制，不僅可以進(jìn)展頻譜搬移，把信號的頻譜搬移到希望的位置上，從而將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸或便于信道多路復(fù)用的已調(diào)信號，而且它對系統(tǒng)的傳輸有效性和傳輸可靠性有著很大的影響。調(diào)制方式往往決定了一個通信系統(tǒng)的性能。通過本實驗將觀察到調(diào)制對于系統(tǒng)可靠性能的改善作用。1.對隨機(jī)噪聲的抑制作用。這里只對噪聲系數(shù)k=0.8931的情形進(jìn)展實驗：圖3.6經(jīng)QAM、PSK和PAM調(diào)制后的眼圖Fig.3.6 QAM &PSK&PAM Modulated Eye Diagram無論是模擬調(diào)制

43、QAM,PAM還是數(shù)字調(diào)制PSK，眼圖都比未經(jīng)調(diào)制的好很多，噪聲的干擾效果得到明顯抑制。在三種調(diào)制方式當(dāng)中沒有看出明顯的差異。2.對信道噪聲的抑制作用。對照二中的實驗，分別在S/N為10、和1三種情況下增加PAM調(diào)制方式。圖 3.7 PAM調(diào)制后的通過高斯信道的不同信噪比下的眼圖Fig.3.7 Eye Diagram through AWGN Of different SNR after PAM modulated不難看出系統(tǒng)的抗噪性能增加了許多倍，改用另外兩種調(diào)制方式得到了同樣的結(jié)果。調(diào)制被證明在抑制乘性干擾方面同樣是很有效的。接收濾波器。濾波器被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)的性能改善，這里有一個濾波

44、器的設(shè)計問題。但根據(jù)奈奎斯特第一準(zhǔn)則，在防止碼間干擾方面，升余弦濾波器滿足無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件，故是首選。至于其去噪性能如何，正是本實驗要探索的主題。為了得到更加清晰的眼圖，可以將輸出信號進(jìn)展截尾處理。對隨機(jī)噪聲的濾除作用。分別對k=0.0635和k=0.8931的噪聲進(jìn)展實驗：圖3.8經(jīng)過升余弦濾波的眼圖Fig.3.8 Eye Diagram Filtered by Raised Cosine Filter第一幅圖很清晰，因為噪聲幾乎為0，對于較大的噪聲，升余弦濾波器的去噪性能很不明顯。2.對信道噪聲的濾除。分別在S/N為10、和1三種情況下用升余弦濾波器接收。其中濾波器的滾降系數(shù)設(shè)為0.5最后

45、一幅的參數(shù)為：S/N=，滾降系數(shù)1。圖3.9經(jīng)過升余弦濾波的被信道噪聲濡染的眼圖Fig.3.9Eye Diagram Through AWGN Channel Filtered by Raised Cosine Filter眼圖依然沒有多大改善，即使增大滾降系數(shù)，效果也不明顯，但稍微好了一點點見第四幅；因此，我們得到了與1中一樣的結(jié)論：升余弦濾波器對信道噪聲的抑制作用是比擬小的。可見如果在發(fā)送端未能采取較好的措施，一旦信號受到噪聲的嚴(yán)重污染,利用升余弦濾波器也是無力回天的。本局部用Simulink編程來實現(xiàn)眼圖的仿真，并進(jìn)一步對以上的理論作出驗證。由圖3.1可知，Simulink工具箱中集成了

46、許多功能模塊，包括信號處理、通信等模塊，動態(tài)模型的建立只要將所建模型轉(zhuǎn)換成各種模塊，然后拖到mdl文件中，將各模塊合理連接后按需要設(shè)置參數(shù)運行即可。最簡單模型只需用到三個的模塊，類似硬件眼圖實驗，其中升余弦濾波器的滾降系數(shù)為0.6。在這個實驗中可以觀察到上下過沖。圖 3.10 眼圖實現(xiàn)的最少模塊模型0 Eye Diagram Using least Blocksets以下是觀察到的仿真結(jié)果：圖 3.11 眼圖11 Eye Diagram 1減小滾降系數(shù)，如改為0.3，眼圖將明顯變壞：圖 3.12 眼圖22 Eye Diagram 2上下過沖幅度加大，導(dǎo)致眼皮明顯變粗，信號幅度畸變惡化，過零點失

47、真嚴(yán)重化；但上升時間根本不變。下面是一個經(jīng)過二進(jìn)制脈幅調(diào)制、所經(jīng)信道為高斯白噪聲信道、用升余弦接收濾波的通信系統(tǒng)的局部仿真：圖 3.13通過高斯信道的通信系統(tǒng)的眼圖Fig.3.13 PAM Modulated Eye Diagram through AWGN &Fileter Using Simulink其中噪聲來源設(shè)置了兩個：一個是發(fā)送端的限帶高斯白噪聲，另一個是信道中的噪聲；二者的參數(shù)分別為：和；輸入為為隨機(jī)序列生成器，根本參數(shù)設(shè)置為：；升余弦的滾降系數(shù)設(shè)為0。這個模型是在原有模型的根底上加上了二進(jìn)制PAM調(diào)制M設(shè)為2，為的是通過眼圖來調(diào)整系統(tǒng)傳輸，以驗證調(diào)制對于傳輸性能的改善。以下顯示了

48、這樣調(diào)整的效果：圖 3.14發(fā)送端調(diào)制前后眼圖對照4 Eye Diagram before &after PAM Modulated 雖然調(diào)制后眼圖得到改善：開幅度增大、眼皮厚度減小，但信號幅度畸變還是很大。進(jìn)一步調(diào)整升余弦特性，將滾降系數(shù)改為最大值1。下列圖顯示了調(diào)整后的對應(yīng)的眼圖的變化：圖3.15升余弦調(diào)整后眼圖5Eye Diagram when Rolloff factor be set 1很明顯，眼圖調(diào)制前后都得到了改善：開幅度進(jìn)一步增大、眼皮厚度更小了、信號幅度畸變有所減小，說明經(jīng)濾波器后去噪性能提高了，碼間干擾減小了。順便提一下，以上Simulink模型中的許多模塊都是可以替換的：

49、輸入信源可以用代替；數(shù)字濾波器的設(shè)計可以用模塊，可以實現(xiàn)各種類型的濾波器；信道除了高斯信道，還可以用 模擬多徑瑞利衰落信道；噪聲模塊當(dāng)然也可以替換，在此就不一一列舉了。4 兩種結(jié)果的比擬及結(jié)論以上實驗分別從硬件和軟件仿真兩方面對眼圖進(jìn)展了觀察，從中比擬充分地表達(dá)了眼圖的功能。但兩個方面各有優(yōu)缺點，略述如下：硬件：硬件眼圖的觀察方法簡單，只需一臺數(shù)字示波器，將水平掃描周期調(diào)整好即可；用TIMS教學(xué)實驗系統(tǒng)觀察最少只需三個功能模塊，觀察到的眼圖清晰度高，上下過沖明顯，改變低通濾波器可以驗證吉布斯現(xiàn)象，但需要細(xì)心調(diào)整，并且眼圖很敏感，它只是一種余輝作用，不能形成固定的可供仔細(xì)分析的圖像，因為它的瞬間

50、圖像只是一系列的經(jīng)過濾波后的單線條波形。硬件實驗是直接可觸的，給人更加可靠的印象，但實驗結(jié)果受到設(shè)備的優(yōu)良程度、實驗人員的經(jīng)歷和細(xì)心程度等等的影響，并且硬件拓展起來不大方便，參數(shù)的改變沒有軟件直觀和簡便。軟件：眼圖的軟件仿真雖然需要學(xué)習(xí)新的計算機(jī)語言，但MATLAB語言入門容易，仿真功能強(qiáng)大，交互性強(qiáng)，而且可以實現(xiàn)動態(tài)建模，這給通信理論的無論是現(xiàn)象觀察還是原理驗證抑或是新通信系統(tǒng)的設(shè)計等等都帶來了很大的方便。MATLAB編程實現(xiàn)眼圖除了用系統(tǒng)置函數(shù)外，還可以將眼圖視為仿真的后處理，用自編的算法實現(xiàn)，更詳盡的信息可以參考文獻(xiàn)3中的DQPSK的眼圖。MATLAB軟件中的Simulink庫是仿真的一

51、個重要工具，其形象直觀方便可以與硬件相媲美。MATLAB仿真便于改變通信系統(tǒng)的參數(shù)，從而具體考察*個或*幾個變量的影響。其編程效率是很高的，但運行效率很低，比起其他高級語言慢很多。無論是MATLAB編程還是SIMULINK動態(tài)建模，都說明眼圖定性地反映了噪聲干擾的強(qiáng)弱、濾波器在減小碼間干擾方面的性能優(yōu)良程度、調(diào)制對干擾的抑制作用、信道的用于傳輸?shù)男阅?，這些結(jié)論的得出只需改變*些參數(shù)和實現(xiàn)路徑，相當(dāng)靈活方便。比起硬件來，軟件仿真結(jié)果不會因為時間的推移而帶來什么誤差，但會受到程序性能的影響。結(jié)論：眼圖作為一個簡單實用工具，在MATLAB中的表現(xiàn)形式與硬件的觀察結(jié)果有些不一樣，但作用是根本一樣的，即眼圖從各種參數(shù)細(xì)節(jié)中反映傳輸信號的碼間干擾和所受到噪聲的大小以及系統(tǒng)的性能；發(fā)送的信號調(diào)制往往可以在很大程度上抑制各種噪聲，至于調(diào)制方式二進(jìn)制帶來的抗噪聲的差異不是很明顯；接收濾波器也在一定程度上去除了噪聲，并抑制了碼間干擾，具體的性能與濾波器的設(shè)置和類型相關(guān)，在各種濾波器中，升余弦濾波器是一個不