实验十八信道模拟实验

现代通信原理实验指导书18－1实验十八信道模拟实验一、实验目的1、观察噪声对信道的影响，比较理想信道与随机信道的区别，加深对随机信道的理解。2、比较编码信号与未编码信号在随机信道中的传输，加深对纠错编码原理的理解。3、掌握眼图波形与信号传输畸变的关系。二、实验内容1、将信号源输出的NRZ码（未编码）输入信道，调节噪声功率大小，观察信道输出信号。2、输出的NRZ码（未编码）输入本模块，编码后再输入信道，并经过解码，观察通过编解码后的信号。3、观察眼图并作分析记录。三、实验仪器1、信号源模块2、信道模拟模块3、终端模块（可选）4、20MHz双踪示波器一台5、误码率测试仪（可选）一台6、连接线若干四、实验原理1、信道广义信道按照它包含的功能，可以划分为调制信道与编码信道。所谓调制信道是指调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制和解调的角度来看，调制器输出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调信号进行某种变换。我们只需要关心变换的最终结果，而无需关心其详细物理过程。因此，研究调制和解调时，采用这种定义是方便的。同理，在数字通信系统中，如果我们仅着眼于讨论编码和译码，采用编码信道的概念是十分有益的。所谓编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。这样定义是因为从编译码的角度看来，编码器的输出是某一数字序列，而译码器的输入同样也是某一数字序列，他们可能是不同的数字序列。因此，从编码器输出端到译码器输入端，可以用一个对数字序列进行变换的方框来加以概括。我们这里主要用的是编码信道，接下来介绍一下编码信道模型。编码信道对信号的影响是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列。因此，有时把编码信道看成是一种数字信道。编码信道模型可以用数字的转移概率来描述。例如，最常见的二进制数字传输系统的一种简单的编码信道模型如图18-1所示。这个模型之所以是“简单的”，因为这里假设解调器每个输出码元的差错发生是相互独立的。或者说，这种信道是无记忆的，即一码元的差错与其前后码元是否发生差错无关。在这个模型里，P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)及现代通信原理实验指导书18－2P(1/1)称为信道转移概率，其中，P(0/0)与P(1/1)是正确转移的概率。而P(1/0)与P(0/1)是错误转移概率。0011图18-1二进制编码信道模型根据概率的性质可知P(0/0)＝1－P(1/0)P(1/1)＝1－P(0/1)转移概率完全由编码信道的特性所决定。一个特定的编码信道，有确定的转移概率。但应该指出，转移概率一般需要对实际编码信道作大量的统计分析才能得到。如果我们对一正态分布白噪声取样，若取样值为正，记为“＋”，若取样值为负，记为“－”，则将每次取样所得极性排成序列，可以写成：…＋－＋＋―――＋－＋＋――…这是一个随机序列，它具有如下基本性质：①列中“＋”和“－”的出现概率相等。②序列中长度为1的游程约占1/2；长度为2的游程约占1/4；长度为3的游程约占1/8；…。一般说来，长度为k的游程约占1/2k；而且在长度为k的游程中，“＋”游程和“－”游程约各占一半。③由于白噪声的功率谱为常数，功率谱的逆傅里叶变换，即自相关函数为一冲激函数δ(τ)。当τ≠0时，δ(τ)＝0；仅当τ＝0时，δ(τ)是个面积为1的脉冲。2、信道噪声非理想信道中必然存在噪声，而其中又以高斯白噪声最为普遍。在本实验中我们用伪随机序列模拟高斯白噪声。伪随机噪声具有类似于随机噪声的一些统计特性，同时又便于重复产生和处理。由于它具有随机噪声的优点，又避免了它的缺点，因此获得了日益广泛的实际应用。目前广泛应用的伪随机噪声都是由数字电路产生的周期序列（经滤波等处理后）得到的。我们把这种周期序列称为伪随机序列。通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。它又可分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两类。由线性反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移存器序列，通常简称为m序列。由于m序列的均衡性、游程分布、自相关特性和功率谱与上述随机P(1/1)P(0/0)P(1/0)P(0/1)现代通信原理实验指导书18－3序列的基本性质很相似，所以通常认为m序列属于伪噪声序列或伪随机序列。m序列的功率谱密度的包络是(sinx/x)2形的。设m序列的码元宽度为T1秒，则大约在零至(1/T1)×45%赫兹的频率范围内，可以认为它具有均匀的功率谱密度。所以，可以用m序列的这一部分频谱作为噪声产生器的噪声输出，虽然这种输出是伪噪声，但是多次进行某一测量，都有较好的重复性。将m序列进行滤波，就可取得上述功率谱均匀的部分作为输出。3、纠错编码在随机信道中，错码的出现是随机的，且错码之间是统计独立的。例如，由高斯白噪声引起的错码就具有这种性质。因此，当信道中加性干扰主要是这种噪声时，就称这种信道为随机信道。由于信息码元序列是一种随机序列，接收端是无法预知的，也无法识别其中有无错码。为了解决这个问题，可以由发送端的信道编码器在信息码元序列中增加一些监督码元。这些监督码元和信码之间有一定的关系，使接收端可以利用这种关系由信道译码器来发现或纠正可能存在的错码。在信息码元序列中加入监督码元就称为差错控制编码，有时也称为纠错编码。不同的编码方法有不同的检错或纠错能力。有的编码就只能检错不能纠错。那么，为了纠正一位错码，在分组码中最少要增加多少监督位才行呢？编码效率能否提高呢？从这种思想出发进行研究，便导致汉明码的诞生。汉明码是一种能够纠正一位错码且编码效率较高的线性分组码。下面我们介绍汉明码的构造原理。一般说来，若码长为n，信息位数为k，则监督位数r＝n−k。如果希望用r个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n种可能位置，则要求2r−1≥n或2r≥k+r+1（18－1）下面我们通过一个例子来说明如何具体构造这些监督关系式。设分组码(n，k)中k＝4，为了纠正一位错码，由式（18－1）可知，要求监督位数r≥3。若取r=3，则n=k+r=7。我们用α6α5…α0表示这7个码元，用S1、S2、S3表示三个监督关系式中的校正子，则S1S2S3的值与错码位置的对应关系可以规定如表18-1所列。表18-1S1S2S3错码位置S1S2S3错码位置001010100011α0α1α2α3101110111000α4α5α6无错由表中规定可见，仅当一错码位置在α2、α4、α5或α6时，校正子S1为1；否则S1为0。这就意味着α2、α4、α5和α6四个码元构成偶数监督关系S1＝α6α5α4α2（18－2）同理，α1、α3、α5和α6构成偶数监督关系S2＝α6α5α3α1（18－3）现代通信原理实验指导书18－4以及α0、α3、α4和α6构成偶数监督关系S3＝α6α4α3α0（18－4）在发送端编码时，信息位α6、α5、α4和α3的值决定于输入信号，因此它们是随机的。监督位α2、α1和α0应根据信息位的取值按监督关系来确定，即监督位应使上三式中S1、S2和S3的值为零（表示变成的码组中应无错码）000034613562456＝αααα＝αααα＝αααα（18－5）由上式经移项运算，解出监督位αα＝αααα＝ααααα＝α340635164562（18－6）给定信息位后，可直接按上式算出监督位，其结果如表18-2所列。表18-2信息位监督位信息位监督位α6α5α4α3α2α1α0α6α5α4α3α2α1α00000000100100011010001010110011100001110111011010101100010001001101010111100110111101111111100010001001010100111接收端收到每个码组后，先按式（18－2）～（18－4）计算出S1、S2和S3，再按表18-2判断错码情况。例如，若接收码组为0000011，按式（18－2）～（18－4）计算可得S1＝0，S2＝1，S3＝1。由于S1S2S3等于011，故根据表18-1可知在α3位有一错码。按上述方法构造的码称为汉明码。表18-2中所列的（7，4）汉明码的最小码距d0＝3，因此，这种码能纠正一个错码或检测两个错码。现代通信原理实验指导书18－54、传输畸变和眼图一个实际的基带传输系统，尽管经过了精心的设计，但要使其传输特性完全符合理想情况是困难的，甚至是不可能的。因此，码间干扰也就不可能避免。由前面的讨论可知，码间干扰问题与发送滤波器特性、信道特性、接收滤波器特性等因素有关，因而计算由于这些因素所引起的误码率就非常困难，尤其在信道特性不能完全确知的情况下，甚至得不到一种合适的定量分析方法。眼图就是一种能够方便地估计系统性能的实验手段。这种方法的具体做法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步。这时就可以从示波器显示的图形上观察出码间干扰和噪声的影响，从而估计出系统性能的优劣程度。所谓眼图就是指示波器显示的图形，因为在传输二进制信号波形时，它很像人的眼睛。为了说明眼图和系统性能之间的关系，我们把眼图简化为一个模型，如图18-2所示。该图表述了下列意思：（1）最佳抽样时刻应是“眼睛”张开最大的时刻；（2）对定时误差的灵敏度可由眼图的斜边之斜率决定，斜率越陡，对定时误差就越灵敏；（3）图中的阴影区的垂直高度表示信号畸变范围；（4）图中央的横轴位置对应判决门限电平；（5）在抽样时刻上，上下两阴影区的间隔距离之半为噪声的容限，即若噪声瞬时值超过这个容限，就有可能发生错误判决。图18-2眼图模型五、实验步骤1、信道模拟实验（1）将信号源模块、信道模拟模块、终端模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。（2）插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下三个模块中的开关POWER1、POWER2，各模块对应的发光二极管LED01、LED02发光，三个模块均开始工作。（注现代通信原理实验指导书18－6意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）（3）将信号源模块的拨码开关SW04、SW05设置为0000010100000000，按实验一的介绍，此时分频比千位、十位、个位均为0，百位为5，因此分频比为500，此时位同步信号频率应为4KHz。相应地，信道模拟模块的码速率选择拨码开关设置为1000，与信号源的码速率相一致（码速率选择拨码开关设置为1000对应的码速率为4KHz，0100对应为8KHz，0010对应为10KHz，0001对应为15.625KHz）。（4）将信号源的NRZ码作为数据输出，连接到终端的DATA1端，相应的位同步信号（BS1）与帧同步信号（FS1）分别相连，同时将信号源的NRZ码连接到信道模拟的信道输入端，经过信道后从信道输出1端输入到终端的DATA2端，BS2和FS2与信号源的位同步信号（BS）与帧同步信号（FS）分别相连。则终端的发光二极管D01-D24显示的是直接从信号源输出的数据，发光二极管D25-D48显示的经过信道传输后的数据。（也可用示波器双踪比较上述两组数据）（5）任意设置NRZ码的码型，旋转信道模拟模块的噪声功率调节电位器，改变信道内噪声功率大小，观察噪声对发光二极管D25-D48显示数据的影响。同时用示波器观察信道输入与信道输出1处的信号波形。2、差错控制编码实验（1）将信号源的NRZ码作为数据输出，连接到信道模拟的编码输入数据端，相应的位同步信号（BS）与帧同步信号（FS）分别与信号源的BS和FS相连。同时将信道模拟的编码输出与解码输入的位同步信号与帧同步信号分别相连，编码输出的数据连入信道输入，经过信道后从信道输出1端输入到解码输入数据端；解码输出端的数据、位同步与帧同步分别与终端的DATA1、BS1和FS1相连，则终端的发光二极管D01-D24显示的经过编解码及信道传输后的数据。（也可用示波器双踪比较两组数据，也可以将信号源NRZ码输出接入终端DATA1，BS与BS1相连，FS与FS1