信噪比与误码率实验指导书讲解Word文档下载推荐.docx
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30%。
（8）电压测量工作误差（以探针探头插入T型接头,匹配50Ω时为基准）：
2%±
5%±
0.5mV。
（9）功率测量工作误差：
5%±
W档：
15%±
（10）工作条件下频率影响误差（以1MHz0.8Vrms信号用探针探头插入T型接头,匹配50Ω时为基准），1kHz～100MHz：
5%；
10%；
15%；
1000MHz～1500MHz：
25%。
（11）输入阻抗：
≤15kΩ（100mV档），输入电容：
＜2.0pF。
（12）正常工作条件：
环境温度：
10～35℃，相对湿度：
＜90%（35℃），大气压力：
750±
30mmHg。
（13）电源电压：
220V±
50Hz±
5%。
电源功耗：
＜10VA
（二）仪器的使用
1.仪器面板功能介绍
仪器前面板，如图1所示。
①量程选择开关：
当LCD屏下面的电压变化指针显示“OVER”时，表示已超该量程范围，显示数值无效，按“”键为升量程，当“OVER”显示消失时，进入有效测量状态。
当LCD屏下面的电压变化指针显示“UNDER”时，表示显示已进入太低数值，按“”键为降量程，当“UNDER”消失时，进入正确显示状态。
②量程自动/手动选择键：
LCD屏显示AUTO时为自动量程。
当数显＞11000或＜800时自动换挡。
开机默认为手动量程（MANU）。
③电压/功率测量选择键：
开机默认为电压测量，按该键后就改为功率测量，再按一下就回复到电压测量。
功率测量时，无自动量程功能,且一定要满足相应阻抗要求。
④阻抗选择：
开机常态显示为50Ω匹配时dB值，按一下就选择为75Ω匹配状态下显示dB值。
⑤10mV校正调节。
低电平信号（＜5mV）测试时，环境温度和电磁场对测试有影响，预热一小时后，探头和10mV校正信号源⑥连接（注意不能接50Ω或75Ω终端负载）。
可调节该装置⑤，使电压显示标称值。
可保证低电平测试的准确性。
大于10mV信号测试不需要上述调节。
⑥10mV校正信号源，输出一个稳定的10mV校正信号源，用来对10mV档测试校正。
⑦探头插座，插入探头作测量用。
⑧探头。
⑨探头接地线。
⑩LCD屏显示内容：
如图2
图2LCD显示屏
2．测量准备
（1）把探头插到探头插座上
（2）接通电源，预热15分钟，测量低电平（<
5mV）信号时需预热60分钟后才能有效测量。
（3）使用探针式探头时，用尽量短的接地线与探头外壳短接，减少测试误差。
测量高频率（>
30MHz）低电平（<
30mV）信号时,最好是采用本仪器提供的同轴T型探头及相应匹配负载。
（4）选择适当的量程。
3．操作注意事项
（1）探头应尽量离开发热体，以免引起探头升温。
（2）探头测量电压，直流电压应＜100V，交流电压＜15Vrms。
（3）探头是本仪器主要部件，如果使用不当，探针及连线容易损坏，因此需要特别小心。
（4）测量低电平信号（＜5mV）,由于有一个热平衡过程，加上信号后，数显经数秒钟后才会有一个较稳定的读数。
4.备附件使用
（1）同轴探头使用
当测量电压较低（＜30mV）且频率较高时，或者外部干扰场较大时，为减小测量误差应使用同轴系统进行测量。
如需匹配也可加上适当的终端负载加以匹配。
WY2288配置同轴式探头，适宜在同轴匹配状态下测量，它的特点是低电平（＜30mV）仍有优良的幅频特性。
WY2288出厂时是以使用探针式探头来校准的，所以在使用同轴探头时会引入一定的离散性误差，特别是当测量低电平（＜30mV）时要重新进行10mV挡校正调节，否则会引起较大误差。
同轴探头比探针探头有更优良的低电平频幅特性（见图3）
（2）同轴探头技术特性
①电压测量范围：
5mV～8V。
允许引入附加误差±
2%
②被测电压频率范围：
200Hz～1.5GHz
③频响误差（以1MHz；
8mV为基准，50Ω匹配），200Hz～300MHz：
6%；
300MHz～1GHz：
±
1GHz～1.5GHz：
18%。
图3低电平（8mV）探头频幅特性
二、误码测试仪的功能及使用
JH9001A是一种增强型的误码测试仪，它可以测试从2.4Kbps―8192Kbps范围内的多种数据速率，具有RS422、RS232、TTL、BNC等多种测试接口，可提供多种测试用的PN码图案和8比特任意输入码，提供误码率为0，10-3，10-4，10-5等多种测试模式。
根据被测设备的要求，可选择合适的接口、数据速率、时钟方向和发码时钟。
用户界面采用汉字液晶显示屏，各类操作均有菜单提示。
操作简单，使用方便，适应范围广，是高校实验室、科研单位、生产线中误码测量理想的必备仪器。
（1）多种数据速率。
外时钟速率：
2.4Kbps―20Mbps；
内时钟速率：
2.4Kbps、8Kbps、16Kbps、32Kbps、64Kbps、512Kbps、2048Kbps、8192Kbps。
内时钟数据速率精度：
1×
10-6。
（2）多种物理接口：
接口1为TTL电平同步数据接口，接口2为RS232电平同步数据接口，接口3为RS422同步数据接口，接口4为符合G.703标准的HDB3码。
（3）多种测试码图案：
23-1、27-1、29-1、（511码）215-1和221-1等PN序列及8位人
工输入码。
（4）多种插入误码测试模式：
插入误码率为0、10-3、10-4、10-5等。
（5）时钟方向选择：
发码时钟和收码时钟均可选择上沿发码或下沿发码。
（6）工作环境：
工作温度：
-10~+45℃，储存温度：
-20~+60℃，相对湿度：
20~90%。
（7）电源电压：
（二）仪器使用
在JH9001A增强型误码测试仪中，可通过改变不同的参数设置来适应不同的测试要求。
需要设置参数时，按相应的功能键，即可出现参数选择菜单，通过按上下箭头键选择所需要的测试参数，再按确认键，所选参数反白，表示相应的测试参数已被确认。
（1）“模式”键
按“模式”键后,液晶屏显示:
插入误码0
插入误码10-3
插入误码10-4
插入误码10-5
用于测试模式选择。
插入误码0指正常发码，即在发码序列中不插入误码。
插入误码10-3指在发送码序列中按误码率1×
10-3插入误码，即发送1000个码元插入1个误码。
设备初始化时，设定模式为插入误码0。
（2）.“接口”键
TTL电平
RS232电平
RS422接口
HDB3码
按“接口”键液晶屏显示：
设备初始化时，设定为TTL电平接口。
TTL电平有两个物理接口，前面板的BNC接头既可作TTL电平接口，也可以作HDB3接口。
后面板还提供了一个15芯的D型座作为TTL电平接口。
在使用前面板的BNC接头作TTL电平接口时，接线前务必先在“接口”设置菜单中选择“TTL电平”。
避免在选择“HDB3码”时从BNC接头中接入TTL电平数据。
本机只提供了最常用的2048Kbps速率的HDB3码。
HDB3码的发码时钟是误码仪内部2048K时钟。
选用HDB3码必须在“内时钟速率”选项中选择“2048K”。
HDB3码的收码时钟是从HDB3码中提取出来的。
（3）“码图案”键
用于选择发码的图案。
按此键后,液晶屏显示:
码图案：
23-1
215-1
27-1
221-1
29-1
输入码
码图案有6种：
PN码、
PN码、8位人工输入码。
当选择“输入码”选项并按确认键后，进入8位人工输入码菜单，液晶屏显示：
请输入8位人工码：
人工码：
10101010
▲
输完后请按确认键！
菜单中显示的8比特码是前一次输入的人工码，通过“0”、“1”按键，可以重新键入任意8比特码。
输入完毕按“确认”键则输入指示符号▲消失。
（4）“时钟”键
用于发码时钟的选择。
内时钟指误码测试仪内部产生的时钟，外时钟指误码仪使用外部提供的时钟发送码序列，由所选择接口相应的输入脚来提供外时钟。
内外时钟选择：
内时钟
外时钟
按“时钟”键后，液晶屏显示：
2.4K
64K
8K
512K
16K
2048K
32K
8192K
选择内时钟后，将进入内时钟速率选择菜单，液晶屏显示：
设备初始化时，设定内时钟速率为2048K。
（5）“时钟方向”键
“时钟方向”键用于同步数据误码测试。
同步数据是用时钟的上沿或下沿来触发数据。
不同的数据接口，其时钟和数据的相位关系可能不一样，所以设置误码测试仪的时钟方向是很重要的。
按“时钟方向”键进入收发时钟的触发沿选择菜单，液晶屏显示：
“上沿发码”是指误码测试仪在发时钟的上沿作用下送出发码，“下沿发码”是指误码测试仪在发时钟的下沿作用下送出发码；
“上沿收码”是指用收时钟的上沿采入收码，“下沿收码”是指用收时钟的下沿采入收码。
一般要求收码时钟沿要对准码元的中间，根据被测设备的收发时序来选择误码仪的时钟方向。
如果信道设备发送端是用时钟上沿接收误码仪的发码，则误码仪要用时钟的下沿发送码序列，“时钟方向”应设置“下沿发码”；
如果信道设备是用下沿采样误码仪的发码，则“时钟方向”应设置“上沿发码”。
如果信道设备接收端是用收时钟上沿送出收码，则误码仪应该用收时钟的下沿采样收码，“时钟方向”应设置“下沿收码”；
如果信道设备接收端是用收时钟下沿送出收码，则“时钟方向”应设置“上沿收码”。
（6）“背光/对比度”键
液晶屏的背光可以通过设置打开或关闭，误码测试仪在有按键操作时会自动打开背光，50秒内没有键盘操作会自动关闭液晶屏的背光。
按“背光/对比度”键先进入液晶背光设置，再按此键则进入对比度调节。
背光设置菜单：
液晶背光：
开（关）
请使用▲▼键
按“▲”键则液晶背光打开，按“▼”键则液晶背光关闭。
（7）“测试/暂停”键
按“测试/暂停”键，则误码测试仪进入测试状态。
液晶屏开始显示：
时间：
00：
00：
00
收码：
误码：
误码率：
0.00×
10-0
液晶屏的第一行显示的是测试时间，第二行显示的是收码个数，第三行显示的是误码个数，第四行显示的是误码率。
在收码同步期间，开始全部显示为0，码同步后，液晶屏开始显示各种计数。
面板上有同步状态指示灯。
同步红色指示灯亮，表示收码没有同步；
灯灭，表示收码同步。
在测试过程中，除“测试/暂停”键外的其它按键都不起作用，按“测试/暂停”键将停止测试，液晶屏保留最后的测试结果。
2.误码测试的参数设置
按“接口”键，选择相应接口，本实验系统，选择RS422接口。
按“码图案”键选择测试码图案，正式测试的码图案一般要求码序列周期长度大于等于511（29–1为511码）。
按“时钟”键选择“内时钟”或“外时钟”为发码时钟。
如果选择了“内时钟”，则进一步选择内时钟速率。
如果使用外时钟发码，先设置与外时钟相近的内时钟速率档，再回到时钟菜单选择“外时钟”项。
使用外时钟发码时，外时钟从后面板D型“RS422测试口”的TCLK±
脚输入。
按“模式”键，选择插入误码0模式。
按“时钟方向”键，选择收发时钟和收发码的相位关系，这个设置要根据被测设备的接口特点来决定。
以上参数设置无顺序要求。
所有参数设置完后按“测试/暂停”键进入误码测试，再按“测试/暂停”键将停止测试并保留测试结果。
设置的测试参数在关机后都被保存在非易失性存储器里，下次开机时所有测试参数将重新调出，不需重新设置。
误码率测试在接收端将接收到的码序列与本地码序列进行比较，从而计算出累计收码数、累计误码数和平均误码率，并实时显示测试结果。
三、数字调制及解调信道的误码特性
在数字频带传输系统中，不同的调制解调方式，系统的抗噪声能力不同，误码特性不同，即误码率不同；
对于同一种调制方式，接收端采用不同的解调方法，其误码特性也不同。
下面主要讨论二进制的2FSK、2PSK、2DPSK的误码特性。
（一）2FSK的误码特性
对于FSK信号的解调方式很多：
相干解调、包络检波非相干解调、正交相乘非相干解调、过零检测法。
下面主要讨论相干解调、滤波非相干解调的误码率。
1、相干解调的误码率
图4为2FSK相干解调的原理框图。
图42FSK相干解调的原理框图
发送端产生的2FSK信号可表示为：
（1）
接收机收入端合成波形为：
（2）
接收端上、下支路两个带通滤波器BPF1、BPF2的输出波形分别为：
（3）
（4）
考虑到这里的噪声为窄带高斯噪声则：
（5）
（6）
发送“1”符号，则上下支路低通滤波器输出分别为：
（7）
将造成发送“1”码而错判为“0”码，错误概率为：
（8）
（9）
是相互独立，均值为0、方差为的高斯噪声，因此Z也是均值为a，方差为的高斯噪声。
它的一维概率密度函数可表示为：
（10）
（11）
同理可得，发送“0”符号而错判为“1”符号的概率为：
（12）
于是可得2FSK信号采用相干解调时系统的误码率为：
（13）
在大信噪比条件下，上式可近似表示为
（14）
2、包络检波非相干解调的误码率
图52FSK包络检波非相干解调的原理框图
发送“1”符号：
（15）
（16）
，（17）
概率密度分布为赖斯分布，为瑞利分布
发送“1”码而错判为“0”码，错误概率为：
（18）
同理，发送“0”码而错判为“1”码，错误概率为：
（19）
2FSK信号采用包络检波解调时系统的误码率为：
（20）
从误码率计算公式可见，在输入信号信噪比一定时，相干解调的误码率小于非相干解调的误码率。
（二）BPSK的误码特性
BPSK解调必须采用相干解调，原理框图如图6所示：
图6BPSK相干解调的原理框图
经信道传输，接收端输入信号为：
（21）
经带通滤波器输出：
（22）
与本地载波相乘后，经低通滤波器滤除高频分量，在抽样判决器输入端得到：
（23）
它的概率密度函数分别为：
（24）
（25）
BPSK系统的最佳判决门限电平为：
在最佳门限及0、1等概率时，BPSK系统的误码率为：
（26）
在大信噪比下，上式成为：
（27）
（三）2DPSK的误码特性
2DPSK的解调有两种，一种是差分译码相干解调，另一种是延迟非相干解调
图72DPSK相干解调的原理框图
差分编码相干解调的DPSK系统如图7所示。
相干解调后进行差分译码，差分译码会引起错误传播，译码前的一个错码在译码后会产生两个错码。
译码前连续出现两个或多个错码，译码后仍仅头、尾两个错码，以序列0110111001为例，如图8所示。
带“x”的为错码
图8误码对差分译码的影响
差分译码后的误码率：
，其中Pk为译码前连续出现k个错码的概率，
，Pe为2PSK相干解调器输出的误码率。
所以，
（28）
当Pe较小时，
（29）
2、延迟解调法的误码率
其方框图和波形图如图9所示，这种方法解调时不需要恢复本地载波，可由收到的信号单独完成，但要求码元宽度为载波周期的整数倍。
将DPSK信号延时一个码元间隔Tb，然后与DPSK信号本身相乘，相乘结果经低通滤波后再抽样判决即可恢复出原始数字信息。
设加到乘法器的混有噪声的前后两码元信号为：
图92DPSK延迟解调的原理框图
乘法器输出为：
经过LPF后，得（30）
判决规则为：
x≤0，判为0；
x>
0，判为1。
则发1错判为0的概率为：
（31）
经过计算得：
（32）
具体推导过程可参考相关书籍。
同理，发0错判为1的概率为：
（33）
系统总误码率为：
（34）
从误码率计算公式可以看出，在相同大信噪比条件下，DPSK系统性能劣于PSK系统性能。
（四）二进制数字调制系统的误码特性比较
从上面推导的误码率公式可以看出，相干解调方式优于非相干解调方式，它们是函数erfc（x）与exp（x）之间的关系。
从图10Pe～r曲线中可清楚看到，在相同输入信噪比r的条件下，相干解调PSK误码特性最好，其次是差分相干DPSK，非相干ASK最差。
在相同误码率的条件下，信噪比PSK比DPSK小1dB，PSK比FSK小3dB（相同解调方式），FSK比ASK小3dB（相同解调方式）。
图10二进制数字调制系统的Pe～r曲线
四、实验箱白噪声发生器原理
周期性m序列的频谱特性具有白噪声特性，在白噪声模块中利用这一性质产生噪声源。
但一般m序列由于状态数，产生的信号随机性不强，且分布一般不为高斯分布。
为了能产生所需要的白噪声，采用了以下技术措施：
1、m序列噪声特性与其周期长度有关，周期越长，越接近白噪声谱。
在FPGA（实验箱中部左边那个1K30芯片）中选用了
的长m序列。
2、并在m序列中加入了一定的扰动技术，使其性能更好。
3、另外，还采用了高速率驱动时钟（24MHz），使产生的噪声谱很宽，而系统中所使用的只截取其频带的一小部分。
经计算机仿真，采用这些措施后，噪声分布更接近理想高斯噪声，能满足实验系统的要求。
噪声模块电路框图如图11所示。
五、数字调制及解调信道的信噪比与误码性能测试
（一）实验前准备工作
（1）预习本实验的相关内容；
（2）实验前重点掌握的内容：
2FSK调制及解调信道的误码性能
BPSK调制及解调信道的误码性能
信噪比与误码率测试方法的设计
（3）思考题：
①在数字频带传输系统中，误码率的大小与哪些因素有关？
信噪比S/N与eb/n0之间的关系是什么？
（二）实验目的
（1）提高信道误码与信噪比的综合测试方法的设计能力
（2）掌握信噪比的测量方法
（3）掌握误码率测量方法
（4）了解FSK、BPSK在噪声下的基本性能
（5）了解实际信道与理想信道的噪声特性、信噪比和误码率的差异
（三）实验仪器
（1）ZH5001A通信原理综合实验系统一台
（2）20MHz双踪示波器一台
（3）误码测试仪一台
（4）高频小功率计一台
（四）实验测量参考方法
数据频带传输系统实验组成框图，如图12所示。
1、PSK信道S/N的测量方法1
对于PSK信道，S/N的测量可采用功率计测量，如图13所示。
图13采用功率计测量S/N连接示意图
首先，测量高斯白噪声功率N，按图13连接，在A点将调制信号断开，这样在B点处将测量得信道上高斯噪声N，根据高斯噪声所占据的带宽BN可计算出高斯白噪声的谱密度：
n0=N/BN。
然后在C点处断开,测量信号功率S，计算出信号的每比特能量：
eb=S/Rb
（35）
2、PSK信道S/N的测量方法2
对于调相信号，S/N的测量可以采用功率计，也可以采用图14所示的测量方法。
图14采用频谱仪测量S/N连接示意图
利用频谱仪可以直接在B点测量出eb/n0。
将频谱仪的带宽调整到较为合适的状态，使BPSK的信号频谱占据频谱仪的2/3左右。
频谱仪的分析带宽BR调整到BPSK信号带宽的1/101/100左右，一般可得到如图15所示的频谱：
图15BPSK的频谱示意图
在图中X是信号谱密度与噪声密度的差值。
3、误码的测量
在数字通信系统里，误码率是最重要的传输质量指标。
数据频带传输系统误码测量的实验组成框图，如图16所示。
通信原理综合实验系统中的数据接口采用的是同步数据接口RS422。
RS422是电气设备之间常用的数据接口标准之一。
采用平衡接口传输方式，当
为正时，为数据0，当
为负时为数据1。
在本系统中，RS422接口采用接口专用集成芯片SN75172与SN75173。
SN75172完成由TTL->
RS422的电平转换；
SN75173完成由RS422->
TTL的电平转换。
该功能的电原理框图如图17所示。
在数据接口中主要是传输两类信息：
（１）数据；
（２）时钟。
在该模块中，测试点的安排如下：
TPH01：
发送时钟；
TPH02：
接收时钟；
TPH03：
接收数据；
TPH04：
RS422译码输出。
将误码仪电源关闭，把误码仪用数据电缆通过RS422接口连接到ZH5001通信原理实验箱同步口模块的JH02接口。
误码仪和测试设备加电后，要设置误码仪的“模式”、“码图案”、“时钟”、“时钟方向”等工作参数。
所有参数设置完后，按“测试/暂停”键进入误码测试，测试一段时间等误码率基本稳定后，再按“测试/暂停”键将停止测试并保留测试结果。
（五）思考题
1、如何测量S/N？
2、分析BPSK误码性能，是否与理论分析一致？
为什么？
（六）实验要求
实验项目性质：
开放性选做设计型实验，学生课外时间完成。
2人一组。
1、利用现有实验设备，设计出BPSK信号和噪声功率的测试方法；
2、根据现有实验设备信号和噪声实际情况，设计出BPSK归一化信噪比（每比特信号的能量Eb和噪声单边功率谱密度n0的比值）的测试方法；
3、测试并记录设备7级噪声状态下的BPSK归一化信噪比和对应的误码率；
4、分析实际测试中的误码率和信噪比与理论计算公式情况中的误差，说明有哪些因素造成误差。
5、写出实验报告。
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