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1、基于基于 MATLABMATLAB 的眼图仿真的眼图仿真 及其与通信实验箱之结果的比较及其与通信实验箱之结果的比较 摘要摘要 通信实验往往可以从硬件和软件两方面着手设计，并加以横向比较，从而达到更深刻地理解和 领会通信理论原理的目的。本设计选取眼图为研究对象。可靠性是通信系统的重要指标之一，而眼 图是定性衡量传输系统可靠性能码间串扰大小及受信道噪声的影响等的方法，简单直观； 除了用通信实验箱实现眼图的观察外，软件仿真具有前者所不具备的优点，本设计以 MATLAB 为主 要工具实现了眼图的仿真模拟。 硬件方面使用北京掌宇金仪科教仪器设备有限公司生产的 TIMS-301 F 系列实验系统，只需较
2、少的模块就能完成眼图的实现，缺点是灵活性不够；MATLAB 由初始的矩阵实验室发展成一款具有 广泛用途的科学实验软件，在通信系统仿真方面是有效而便捷的。MATLAB 本身内置功能强大的函 数库和讲解详细的帮助文档，前者使得眼图的仿真更加高效。 眼图仿真考虑了以下几方面因素的影响：调制数字信号的方式、传输系统（滤波） 、信道噪声 及其大小等等；给出了 MATLAB 语言编程和 Simulink 动态建模两种眼图的实现方式，通过仿真有效 的验证了眼图判断噪声大小、系统性能的有效性，并尝试了通过眼图调整通信系统的抗干扰能力。 关键字：通信系统，眼图，仿真，关键字：通信系统，眼图，仿真，MATLABM
3、ATLAB II Simulation of Eye Diagram Based on Matlab the other was using the language of MATLAB which contains programming by matlab and establishing drammic models of communication system in Simulink. Comparison was drawn between the two. Many factors were considered in the simulation of Eye Diagram,
4、 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 also tries to improve/adjust the communication system with the help of the Eye Diagram
5、. Key Words: Communication System, Eye Diagram, Simulation, MATLAB III 目录目录 1 绪论绪论1 1.1 引言 .1 1.2 通信系统及其性能指标 .2 1.3 码间干扰及无失真传输 .4 1.4 眼图及其模型 .5 2 眼图的硬件实现眼图的硬件实现7 2.1 TIMS 系统简介7 2.2 眼图的观察及结果 .8 3 眼图的眼图的 MATLAB 仿真仿真.12 3.1 MATLAB 简介12 3.2 眼图的仿真及结果 .14 4 两种结果的比较及结论两种结果的比较及结论32 5 附录附录33 致谢致谢35 参考文献参考文献3
6、6 1 1 绪论绪论 1.1 引言引言 21 世纪将是一个信息高速膨胀的信息社会，社会生产力水平的大力发展要求社会成员间的合 作更加紧密和高效，通信系统的设计与优化因此显得越来越重要；通常，通信系统的性能指标涉及 有效性、可靠性、适应性、标准性等等，但从研究消息传输角度考虑，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“质量“问题；对于数字通信系统，具体来说，就是传输速 率和差错率，差错率就是从可靠性的角度具体化的一个概念。 通信系统的优劣需要一个性能评价机制，眼图就是一个简单有效的定性衡量方法，通过眼图还 可以对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。由于
7、眼图实现所需的 设备较少（硬件只需一台示波器） ，观察容易，因此广泛应用于各种通信系统尤其是数字通信系统 的性能的评定。从眼图上还可以大致估计系统的防噪声能力或信道受到噪声污染的情况。 当然，眼图并不是唯一评价方式，甚至也不是最全的评价方式，信号星座图从另一些方面反映 了系统2。在通信系统仿真中，眼图和信号星座图一起成为模型仿真后处理的一部分3。 通信原理往往比较抽象，理论如果能在实验中得到验证，必然可以加深对理论的理解，而本实 验从硬件和软件两方面对照，实现眼图的观察，相信会更好的了解眼图，同时综合软硬件的优势， 克服各自的缺陷，不失为一种良好的学习方式。 2 1.2 通信系统及其性能指标通
8、信系统及其性能指标 传递信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统，其一般模型如下图所示4： 信息源发送设备传输媒介接收设备收信者 干扰 图图 1.11.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型 Fig. 1.1 MODEL Of COMMUNICATION SYSTEM 通信系统按信道中所传输的信号的类型（模拟信号还是数字信号）又可分为模拟通信系统和数字通 信系统，由于计算机的迅速发展，加之数字通信抗干扰能力强、易于实现集成化、便于多路复用、 可将传输与交换结合起来、便于应用计算机技术等等优点，数字通信已逐渐超越模拟通信而占据主 体地位。数字通信系统的模型是在通信系统的一般模型中将模拟信源经过
9、抽样、量化，及便于传输 而进行的编码等等步骤实现信号的离散化，接收设备相应的需要解码、滤波等等处理；如果在发送 端进行了调制，还需在收信端解调信号。 由图 2.1 所示一般模型可知，干扰主要在传输媒介（信道）处引入,故有必要考察一下信道的 模型。信道可分为有线信道和无线信道；明线、对称电缆、同轴电缆、光纤等属于有线信道，地波 传播、短波电离层反射、人造卫星及各种散射信道等都是无线信道。通常我们将模型中的干扰视为 加性的（一般以表示） ，而不是乘性的；至于乘性干扰，一般认为由发送和接收设备引入，往( )n t 往会带来信号非线性失真。若以表示发送和接收设备共同构成的系统的传递函数，由信号与( )
10、H w 系统的知识，信道的模型可概括如下： ( )H w 输 入 输 出 ( )n t 3 图图 1.21.2 信道模型信道模型 Fig. 1.2 MODEL Of COMMUNICATION CHANNEL 对于在计算机上仿真来说，不能像硬件实验一样真实的模拟各种物理信道，但可以将各种信道产生 的效果杂合成，用 MATLAB 中的相关函数来仿真，用来统指与所传信号相异的信号，包括 ( )n t 外部噪声（自然噪声、认为噪声）和信道内部各种电子器件的内部噪声，它们总的以随机信号的形 式出现。通常认为这样的噪声为高斯白噪声，即其分布服从正态分布，频谱包含任意频率分量，为 常数。信噪比用来衡量噪声
11、平均功率相对信号平均功率的大小。以上模型将加性干扰归入中， ( )n t 而乘性干扰在中得到反映。( )H w 有效性和可靠性是衡量通信系统的两个主要性能指标。有效性指系统传输消息的效率，总是希 望以最合理、最经济的方法来传输最大数量的消息；可靠性指系统传输消息可靠程度，即质量问题， 决定于系统抗干扰的性能，即通信系统的抗干扰性。有效性和可靠性是相互矛盾的，只能依据实际 要求求得相对的统一，比如，在满足一定可靠性指标下，尽量提高系统的有效性，使消息传输更快， 但是不能无限（相对而言）地提高有效性而不降低系统可靠性能。 对于模拟通信来说，有效性用有效传输带宽来衡量，衡量可靠性用输出信噪比；而对于
12、数字通 信，其有效性体现在一个信道通过的信息速率上，可以有以下三种表示方法： （1）码元传输速率 RB：系统每秒钟传送的码元(脉冲)数目， （2）信息传输速率 Rb：系统每秒钟传送的二进制码元数目， （3）消息传输速率 Rm：单位时间所传输的消息数目。 可靠性常用差错率来表示：包括误码率和误信率（误比特率），分别为传输错误的码元（比 R P b P 特）数占传输码元（比特）总数的概率。 4 1.3 码间干扰及无失真传输码间干扰及无失真传输 由信号与系统的知识知道，(波形)无失真传输的理想情况是传输函数满足两大条件：( )H w 1.幅度响应通带内为常数，带外为零；( )H w 2.通带内相位响
13、应为频率的线性函数，即群延迟为常数( )w 根据频谱分析原理：频带受限，则时域无限；因此满足上述两大无失真条件的信号其波形在时域上 是无限延伸的，这就势必会引起各码元之间的相互窜扰。但在数字传输中情况有点不一样；由于码 元波形是按一定间隔发送的，其信息携带在幅度上，接收端再生判决如能准确恢复出幅度信息，则 原始信码就能无误地得到传送，故数字传输中只需特定时刻波形幅值无失真传送，而不必整个波形 不变。奈奎斯特（Nyquist）第一、第二和第三准则分别研究了抽样值无失真、转换点无失真和脉 冲波形面积保持不变三种情形，更加详细的信息可以参见文献14-16。 其中抽样值无失真准则要求系统的总传输特性满
14、足下式：( )H w 2 () i i H wT T w T 式中表示码元传输周期；上式表明：系统的传输函数移位（ 为整数）后再叠加，T( )H w 2 i T i 其值在内表现为常数（不必严格为） ，则系统满足无码间干扰传输要求。显然理想低通滤w T T 波器满足此要求，但在物理实际中这样的滤波器是不能实现的，因为它的频谱具有无限陡峭的过渡 带以及全零的区域，这与佩利维纳准则相悖。 实际中广泛应用的是以为中心，具有奇对称升余弦过渡带的一类无串扰波形，通常称之为 T 升余弦滚降信号，其时域表达式为： 2 22 sincos() ( ) 1 4 t Tt T h t t TtT 在时域，除抽样点
15、 t=0 幅值不为零外，其余所有样点上均为零，不会带来样点幅值失真。实际( )h t 中抽样的时刻不可能完全没有误差，抽样脉宽也不严格为零，因此，为了减小抽样定时脉冲误差所 带来的影响，滚降系数(roll-off factor)不能太小，一般不小于 0.2。 5 1.4 眼图及其模型眼图及其模型 眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时的在示波器上观察到的图形5， 因其类似人的眼睛而称为“眼图” 。得到眼图的方法是：将接受波形输入示波器的垂直放大器，把 产生水平扫描的锯齿波周期与码元定时同步，由于荧光屏的余辉作用，若干码元重叠形成眼图。软 件产生眼图的方法本文用 MATLAB
16、 仿真。 从眼图我们可以观察到很多东西，比如噪声的大小，用来传输序列的信道的带宽，但是眼图并 不适合观察连续的数据流6。 眼图显示了数字基带信号波形可能取得的所有瞬时值。在完全随机输入的情况下，由于各个码 元波形叠加，会在眼图中形成若干眼孔，眼孔的张开度能充分说明传输信号的质量。眼孔在水平轴 上的交叉点称为水平聚集点，两个聚焦点的距离称为眼图的水平张开距离，眼孔的最大垂直距离称 为眼图的垂直张开度，又称眼图的幅度。在理想(即无噪声和码间串扰)的情况下，眼图垂直聚焦十 分清晰，水平聚焦收敛于同一过零点；当出现噪声和码间干扰时，眼图的上升沿、下降沿变粗变模 糊并形成带状，水平聚焦点扩散晃动(扩散晃动的宽度称为抖动)，水平和垂直张开度相继减小。根 据实践经验，当信噪比在 2530dB 时，眼图的清晰度是令人满意的7。 为了说明眼图和系统性能的关系，将眼图简化成理想的模式，如下图： 注：（a）无失真基带信号波形及眼图(b)有失真（码间干扰）的波形及眼图(c)理想化眼
