基带信号眼图实验——matlab仿真

1数字基带信号的眼图实验——matlab仿真一、实验目的1、掌握无码间干扰传输的基本条件和原理，掌握基带升余弦滚降系统的实现方法；2、通过观察眼图来分析码间干扰对系统性能的影响，并观察在输入相同码率的NRZ基带信号下，不同滤波器带宽对输出信号码间干扰大小的影响程度；3、熟悉MATLAB语言编程。二、实验预习要求1、复习《数字通信原理》第七章7.1节——奈奎斯特第一准则内容；2、复习《数字通信原理》第七章7.2节——数字基带信号码型内容；3、认真阅读本实验内容，熟悉实验步骤。三、实验原理和电路说明1、基带传输特性基带系统的分析模型如图3-1所示，要获得良好的基带传输系统，就应该nsnatnT()HnsnahtnT基带传输抽样判决图3-1基带系统的分析模型抑制码间干扰。设输入的基带信号为nsnatnT，sT为基带信号的码元周期，则经过基带传输系统后的输出码元为nsnahtnT。其中1()()2jthtHed（3-1）理论上要达到无码间干扰，依照奈奎斯特第一准则，基带传输系统在时域应满足：10()0,skhkTk，为其他整数(3-2)频域应满足：2()0,ssTTH，其他(3-3)0sT()HsTsT图3-2理想基带传输特性此时频带利用率为2/BaudHz,这是在抽样值无失真条件下，所能达到的最高频率利用率。由于理想的低通滤波器不容易实现，而且时域波形的拖尾衰减太慢，因此在得不到严格定时时，码间干扰就可能较大。在一般情况下，只要满足：222(),sissssiHHHHTTTTT(3-4)基带信号就可实现无码间干扰传输。这种滤波器克服了拖尾太慢的问题。从实际的滤波器的实现来考虑，采用具有升余弦频谱特性()H时是适宜的。(1)(1)1sin(),2(1)()1,0(1)0,ssssssTTTTHTT(3-5)这里称为滚降系数，01。所对应的其冲激响应为：222sincos()()14sssstTtThtttTT(3-6)3此时频带利用率降为2/(1)Baud/Hz，这同样是在抽样值无失真条件下，所能达到的最高频率利用率。换言之，若输入码元速率'1/ssRT，则该基带传输系统输出码元会产生码间干扰。2、眼图所谓眼图就是将接收滤波器输出的，未经再生的信号，用位定时以及倍数作为同步信号在示波器上重复扫描所显示的波形（因传输二进制信号时，类似人的眼睛）。干扰和失真所产生的畸变可以很清楚的从眼图中看出。眼图反映了系统的最佳抽样时间，定时的灵敏度，噪音容限，信号幅度的畸变范围以及判决门限电平，因此通常用眼图来观察基带传输系统的好坏。图3-3眼图示意图四、仿真环境WindowsNT/2000/XP/Windows7/VISTA；MATLABV6.0以上。五、仿真程序设计1、程序框架双极性NRZ码元序列产生升余弦滚降系统NRZ码元序列抽样画眼图NRZ(n)Samp_data(m)st(m)图3-4程序框架首先，产生M进制双极性NRZ码元序列，并根据系统设置的抽样频率对该NRZ码元序列进行抽样，再将抽样序列送到升余弦滚降系统，最后画出输出码元序列眼图。2、参数设置4该仿真程序应具备一定的通用性，即要求能调整相应参数以仿真不同的基带传输系统，并观察输出眼图情况。因此，对于NRZ码元进制M、码元序列长度Num、码元速率Rs，采样频率Fs、升余弦滚降滤波器参考码元周期Ts、滚降系数alpha、在同一个图像窗口内希望观测到的眼图个数Eye_num等均应可以进行合理设置。3、实验内容根据现场实验题目内容，设置仿真程序参数，编写仿真程序，仿真波形，并进行分析给出结论。4、仿真结果参考参考例程参数设置如下：无码间干扰时：Ts=1e-2;%升余弦滚降滤波器的理想参考码元周期，单位sFs=1e3;%采样频率，单位Hz。注意：该数值过大将%严重增加程序运行时间Rs=50;%输入码元速率，单位BaudM=2;%输入码元进制Num=100;%输入码元序列长度。注意：该数值过大将%严重增加程序运行时间Eye_num=2;%在一个窗口内可观测到的眼图个数。图3-5(a)仿真参考结果图（1）5图3-5(b)仿真参考结果图（2）图3-5(c)仿真参考结果图（3）从眼图张开程度可以得出没有发生码间干扰，这是因为基带信号的码元速率Rs为50Baud，而升余弦滚降滤波器和FIR滤波器的等效带宽B=60Hz（Ts=10ms），Rs2B，满足了奈奎斯特第一准则的条件。有码间干扰时：Ts=5*(1e-2);%升余弦滚降滤波器的参考码元周期，单位sFs=1e3;%采样频率，单位Hz。注意：该数值过大将6%严重增加程序运行时间Rs=50;%输入码元速率，单位BaudM=2;%输入码元进制Num=100;%输入码元序列长度。注意：该数值过大将%严重增加程序运行时间Eye_num=2;%在一个窗口内可观测到的眼图个数。图3-5(d)仿真参考结果图（4）眼图基本闭合，存在较为严重的码间干扰，这是因为码元速率Rs虽然仍为50Baud，但滤波器等效带宽已经变为12Hz（Ts=50ms），Rs2B不再满足奈奎斯特第一准则。多进制码元情况：7图3-6四进制NRZ码元眼图六、实验报告要求1、整理实验数据，画出相应的波形。2、结合奈奎斯特第一准则，分析波形，表述出码间干扰ISI现象与滤波器的等效带宽设定值之间的关系，给出原因。3、结合奈奎斯特第一准则，分析波形，表述出码间干扰ISI现象与滤波器的滚降系数设定值之间的关系，给出原因。七、思考题1、自行编写升余弦滚降滤波器冲激响应函数，特别注意当公式中分子分母均为0时的特殊情况。2、采用MATLAB自带眼图函数eyediagram来观察眼图。八、参考程序closeall;alpha=0.2;%设置滚降系数，取值范围在[0,1]Ts=1e-2;%升余弦滚降滤波器的参考码元周8%期,Ts=10ms,无ISI。%Ts=2*(1e-2);%Ts=20ms,已经出现ISI（临界点）%Ts=5*(1e-2);%Ts=50ms,出现严重ISIFs=1e3;%采样频率，单位Hz。注意：该数%值过大将严重增加程序运行时间Rs=50;%输入码元速率，单位Baud%M=2;M=4;%输入码元进制Num=100;%输入码元序列长度。注意：该数值%过大将严重增加程序运行时间。Samp_rate=Fs/Rs%采样率，应为大于1的正整数，即%要求Fs,Rs之间呈整数倍关系%Eye_num=2;%在一个窗口内可观测到的眼图个数。Eye_num=4;%在一个窗口内可观测到的眼图个数。%产生双极性NRZ码元序列NRZ=2*randint(1,Num,M)-M+1;figure(1);stem(NRZ);xlabel('时间');ylabel('幅度');holdon;gridon;title('双极性NRZ码元序列');%对双极性NRZ码元序列进行抽样k=1;forii=1:Numforjj=1:Samp_rateSamp_data(k)=NRZ(ii);k=k+1;endend%基带升余弦滚降系统冲激响应[ht,a]=rcosine(1/Ts,Fs,'fir',alpha);%画出基带升余弦滚降系统冲激响应波形9figure(2);subplot(2,1,1);plot(ht);xlabel('时间');ylabel('冲激响应');holdon;gridon;title('升余弦滚降系统冲激响应,滚降因子\alpha=0.2');%将信号送入基带升余弦滚降系统，即做卷积操作st=conv(Samp_data,ht)/(Fs*Ts);subplot(2,1,2);plot(st);xlabel('时间');ylabel('信号幅度');holdon;gridon;title('经过升弦滚降系统后的码元')%画眼图，在同一个图形窗口重复画出一个或若干个码元figure(3);fork=10:floor(length(st)/Samp_rate)-10%不考虑过渡阶段信号，只观测稳定阶段ss=st(k*Samp_rate+1:(k+Eye_num)*Samp_rate);plot(ss);holdon;endxlabel('时间');ylabel('信号幅度');holdon;gridon;title('基带信号眼图');%eyediagram(st,Samp_rate);%xlabel('时间');%ylabel('信号幅度');10%holdon;%gridon;%title('基带信号眼图');