实验指导Ch3基带解调与检测100810.docx
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实验指导Ch3基带解调与检测100810
硕士生课程实验报告
第三章
基于SystemView平台的基带信号解调
与检测原理分析与仿真
姓名:
学号：
院系专业:
任课教师：
徐平平教授
评阅:
目录
一实验概述与分类3
二SystemView平台的常见实验参数设置4
2.1系统参数设置4
2.2元器件参数的设置5
2.3仿真窗口的操作6
三实验内容及实验数据分析7
3.7高斯噪声信道中的误码率7
3.11基于sinc函数的脉冲整形10
3.13升余弦脉冲整形14
3.18简单的码间串扰19
3.20自适应信道均衡21
3.22降采样信道23
3.23数据均衡学习模式25
3.26带有正反馈的反馈判决均衡器（FFDFE）27
四创新型实验设计29
五总结与感想32
一实验概述与分类
本章为基带信号解调与检测，其相关实验如下表1，共26个。
表1基带信号解调与检测实验列表
序号
实验内容
序号
实验内容
3.1
发射脉冲
3.14
平方根升余弦脉冲整形和匹配滤波
3.2
平方脉冲整形
3.15
升余弦脉冲分析
3.3
归零平方脉冲整形
3.16
升余弦、平方根升余弦、和sinc滤波器
3.4
数据采样恢复
3.17
信道的降采样
3.5
噪声信道下的数据
3.18
简单的码间串扰
3.6
均匀噪声信道的误码率
3.19
信号检测
3.7
高斯噪声信道中的误码率
3.20
自适应信道均衡
3.8
采用平均方式提高检测率
3.21
带有ASK数据的自适应信道均衡
3.9
二进制信号
3.22
降采样信道
3.10
积分抖落滤波器
3.23
数据均衡学习模式
3.11
基于sinc函数的脉冲整形
3.24
数据均衡直接判决模式
3.12
生成眼图
3.25
带有ASK数据的数据均衡
3.13
升余弦脉冲整形
3.26
带有正反馈的反馈判决均衡器
从教学内容上看，本章主要论述了含加性高斯白噪声的二进制信号的检测过程。
这包含两个步骤，第一步，将接收到的波形转换为一个独立数值z（T）；第二步，比较z（T）与门限值，并且判断发送信号。
其中，详细阐述了如何选择最佳门限值的问题，还证明了采用线性滤波器，即匹配滤波器或相关器，可以获得最大信噪比，从而最小化差错概率。
从概念和理论看，本章定义了码间串扰（ISI）的概念，阐述了奈奎斯特关于无码间串扰码元检测的最小理论带宽。
差错性能的降低有两种情况，一是性噪比的损失，二是码元失真。
本章最后讨论了能够消除码间串扰的均衡技术。
作为教材的配套实验，本章共有26个实验，基本涵盖了教学中的所有概念和技术，并涉及了几个教学以外的技术演示实验。
其中，“3.18简单的码间串扰”对码间串扰进行了概念性的演示，接着，为了降低码间串扰而进行脉冲整形，有“3.2平方脉冲整形”、“3.3归零平方脉冲整形”、“3.11基于sinc函数的脉冲整形”、“3.13升余弦脉冲整形”、“3.15升余弦脉冲分析”，接着，对于整形的脉冲进行解调和检测，有“3.14平方根升余弦脉冲整形和匹配滤波”、“3.19信号检测”“3.16升余弦、平方根升余弦、和sinc滤波器”、“3.10积分抖落滤波器”、“3.8采用平均方式提高检测率”。
均衡，是指所有消除或减少码间串扰的信号处理或滤波技术，又分为预置式均衡和自适应均衡，这部分有“3.12生成眼图”、“3.20自适应信道均衡”，如“3.21带有ASK数据的自适应信道均衡”、“3.23数据均衡学习模式”、“3.24数据均衡直接判决模式”、“3.25带有ASK数据的均衡模式”、“3.26带有正反馈的反馈判决均衡器”。
概念描述的实验有：
“3.1发射脉冲”、“3.4数据采样恢复”、“3.5噪声信道下的数据”、“3.9二进制信号”，信道降采样的实验有“3.17信道的降采样”、“3.22降采样信道”，误码率的实验有：
“3.6均匀噪声信道的误码率”、“3.7高斯噪声信道中的误码率”。
根据这26个实验之间的理论关联性和实现方式的相似性，下面将选择每类中最具代表性的实验进行详细的阐述和讨论。
二SystemView平台的常见实验参数设置
在基于SystemView平台的实验设计与仿真中，常常会涉及到各种参数的设置与操作，下面先简要介绍下几项常见的参数设置。
2.1系统参数设置
点击工具栏的
图标，将会弹出系统参数设置对话框，如图1。
在这个对话框中，最常用的设置是系统采样点数。
图1系统参数设置对话框
2.2元器件参数的设置
SystemView平台可以仿真数量庞大的元器件。
现在仅做代表性的介绍，比如，点击某元件，会弹出如图2的设置对话框。
选中其中Parameters，并进入后，出现对应的参数对话框，如图3所示。
图2元件设置对话框
图3元件具体参数对话框
2.3仿真窗口的操作
单击工具栏的
图标，将会运行系统。
再单击
图标，将会弹出仿真波形窗口。
在仿真波形窗口中，右键“SinkCalculator”,将弹出最重要的设置对话框，如图4，这个对话框可以对产生的信号波形进行各种处理和计算，如FFT变换等。
图4仿真界面波形处理对话框
三实验内容及实验数据分析
3.7高斯噪声信道中的误码率
本实验基于systemview仿真平台设计了一个高斯噪声信道，以检测此信道中的误码率，实验结构图如下图1：
图5高斯噪声信道中的误码率实验图
AWGN的标准偏差Sigma=1/40。
由概率分布图可知，误码率应为0.15（理论值），下面用仿真验证：
（a、b）
4000采样点，发送了100bits，实验结果如图2、图3，实验测得的错误比特数为17，即误码率为0.17，接近理论的误码率0.15。
图6发送100bits时，误比特数时间曲线图（Sigma=1/40）
图7发送100bits时，统计的误比特数（Sigma=1/40）
（c）
40000采样点，发送1000bits，实验结果如图4、图5，测得的误比特数为138，误码率0.138，接近理论值0.15。
图8发送1000bits时，误比特数时间曲线图（Sigma=1/40）
图9发送1000bits时，统计的误比特数（Sigma=1/40）
（d）
将标准偏差sigma改为1/20，40000采样点，发送1000bits，实验结果如图6、图7，此时的误码率为0.294，接近理论值0.3。
图10发送1000bits时，误比特数时间曲线图（Sigma=1/20）
图11发送1000bits时，统计的误比特数（Sigma=1/20）
3.11基于sinc函数的脉冲整形
sinc函数是一个标准的、有限频宽的低通信号。
Nyquist证明，利用sinc函数做脉冲整形，可避免频率轴上邻近频道的相互干扰。
本实验结构图如图8：
图12基于sinc函数的脉冲整形实验结构图
（a）
1024个采样点时，由于sinc脉冲在数据采样间隙的过零穿越，应该不存在码间串扰。
实验结果如图9、图10、图11，测得无码间串扰。
图13数据源（1024采样点）
图14sinc脉冲（1024采样点）
图15基于sinc函数的脉冲整形结果（1024采样点）
（b）
16384个采样点时，实验结果如图12、图13、图14，依然没有码间串扰。
图16数据源（16384采样点）
图17sinc脉冲（16384采样点）
图18基于sinc函数的脉冲整形结果（16384采样点）
（c）
做上图的20logFFT，结果如图15：
图19脉冲整型结果图的20logFFT（16384采样点）
3.13升余弦脉冲整形
当接收滤波器可以同时补偿发射机和信道所产生的失真时，就称其为均衡滤波器。
其中，最常用的是升余弦滤波器。
本实验结构图如图16，其中，滚降悉数α=1，2400bits/sec。
图20升余弦脉冲整形实验结构图
（a）
1024采样点，因为在数据采样间隔里，升余弦脉冲的过零穿越，所以没有码间串扰。
实验结果如图17、图18、图19。
图21数据源（1024采样点）
图22升余弦脉冲（1024采样点）
图23升余弦脉冲整形结果图（1024采样点）
（b）
16384采样点时，实验结果如图20、图21、图22，没有码间串扰。
图23是整型结果的20logFFT效果图。
图24数据源（16384采样点）
图25升余弦脉冲（16384采样点）
图26升余弦脉冲整形结果图（16384采样点）
图27升余弦脉冲整形结果图的20logFFT效果图（16384采样点）
（c）
滚降系数a改为0.22，依然没有码间串扰，只是超量的带宽减少了。
实验结果如图24。
图28滚降系数a=0.22时，升余弦脉冲整形结果图的20logFFT效果图（16384采样点）
（d）
将实验结构图中滤波器改为平方根升余弦，实验结果如图25、图26、图27，产生了一些码间串扰。
图29数据源
图30平方根升余弦脉冲
图31平方根升余弦脉冲整形结果
3.18简单的码间串扰
脉冲出现拖尾占据了相邻码元间隔，从而干扰了信号检测过程，进而造成误差性能的降低，这类干扰称为码间串扰（ISI）。
即便没有噪声，滤波和信道引起的失真也会导致码间串扰。
此实验是简单码间串扰的演示实验，以作为入门了解，实验结构图如下图28。
图32简单的码间串扰演示实验结果图
正确的同步延时值（44）已经被预先设置。
实验结果如图29、图30、图31，10000symbols/sec时，产生码间串扰。
图33数据源
图34接收的码间串扰符号
图35接收到的符号
3.20自适应信道均衡
广义上讲，均衡是指所有消除或减少码间串扰的信号处理或滤波技术。
均衡分两类，第一类是最大似然序列估计。
第二类是均衡滤波器。
可以适应缓慢时变的信道，称为自适应均衡，它使用迭代技术估算最佳系数。
本实验结构图如图32。
图36自适应信道均衡结构图
（a）
实验结果如图33、图34、图35。
可以看到，错误数据数逐渐收敛到零。
图37信道的脉冲响应
图38错误信号
图39信道脉冲响应的20logFFT图
（b）
采样点数目改为16384。
实验结果如图36、图37、图38，错误输出依然较好的收敛到零。
图40信道的脉冲响应（16384采样点）
图41错误信号（16384采样点）
图42信道脉冲响应的20logFFT图（16384采样点）
3.22降采样信道
本实验演示了降采样信道的特性，实验结构图如图39。
图43降采样信道结构图
实验结果如图40、图41，观测可得，这是一个1,0.186,-0.053,-0.088,-0.025}信道，symbolrate=10Khz。
降采样脉冲的规格化效果图如图42。
图44脉冲响应
图45降采样脉冲
图46降采样脉冲的规格化效果图
3.23数据均衡学习模式
本实验是一个教学内容以外的技术演示实验，实验结构图如图43。
图47数据均衡学习模式的实验结构图
这个系统运行于一个学习模式，两端都使用最大长度的伪随机序列产生一个宽带信号，我们假设这里只有{1，-1}两个符号，这种学习模式实际上就是电话数据通信中的调制解调器，用来反向识别先前发送数据的信道。
实验结果如图44、图45。
观测可知，错误数据适应到0。
图48错误数据
图49PRBS学习模式
图50PRBS学习模式的起始时刻放大图
图46是学习模式起始时刻放大图，可以看到，有4个采样点的延迟，这是一个{0，0，1，0.5}信道。
3.26带有正反馈的反馈判决均衡器（FFDFE）
本实验也是一个教学内容以外的技术演示实验，实验结构图如图47。
图51带有正反馈的反馈判决均衡器实验结构图
实验结果如图48、图49，可以看到错误数据迅速收敛到零，均衡效果很好。
图52错误数据
图53错误数据的平方图
四创新型实验设计
本章内容中，有一个知识点与数字信号处理等其他多门学科有交叉，即数据采样与数据重建。
关于此部分内容，常常提到的有奈奎斯特采样定理，即，要想无失真的实现数据重建，采样频率至少应为原始信号频率的两倍以上。
还有采样器的同步延时值的概念，这在本章的多个实验中，都得到了较好的体现。
下面设计一个改进型实验：
采样数据的重建。
为了实现数据的重建，只需要对接收到的平方脉冲进行采样，采样点设为每个脉冲的中点。
这只需要用一个设置了同步延时值的采样器便可实现，其中，同步延时值用于延时到脉冲的中点进行采样。
实验结构图如图50所示。
图54采样数据的重建
实验运行结果如图51、图52、图53，我们可以看到，实现了采样数据得到了很好的重建，此系统中的同步延时值为20。
图55采样数据源
图56接收到的数据脉冲
图57重建的数据
若同步延时值没有正确的设定，则采样器不会在理论的脉冲中点进行采样，重建的数据将会出现错误。
如将同步延时值设为100时，实验结果如图54、图55、图56，重建数据产生了明显的误差。
图58采样数据源（同步延时值100）
图59接收到的数据脉冲（同步延时值100）
图60重建的数据（同步延时值100）
五总结与感想
《通信原理》，这是一门与众多学科有交叉内容的通信基础类学科。
《数字通信——基础与应用》，这是一本内容极详尽庞大的国外教材。
在这短暂的一个学期，有幸聆听到徐老师提纲挈领式的讲解，老师并没有拘泥于那些公式或技术的细节，而是清晰的将数字通信的框图、宏观图景展现给了学生。
更有幸的是，笔者有幸负责到实验册中内容量最大的第三章实验，共26个实验，涉及到了SystemView这款优秀软件的几乎所有操作和使用，这不愧是一款强大的“家庭实验室”，让我们能将那样空洞的理论轻易的在PC机上仿真实现出来，这份经历是非常难忘和欣喜的。
本科时，已学习过通信原理课程，当时的授课教师也要求我们使用SystemView,当时没有引起我的足够重视，直到今天才把这项要求给补上，这都要感谢徐老师的实验式教学方法。
经过实验的实践，对于本章基带信号解调与检测的知识，有了很清晰的理解和掌握：
因为基带信号不是理想的脉冲，所以需要解调器来恢复脉冲波形；由于发送端滤波器和信道的原因，接收序列存在着码间串扰，产生了拖尾信号，不利于采样检测；解调器的目的正是消除码间串扰，恢复具有大信噪比的基带信号；均衡技术正是实现这一目的。
我们学习了十几年的理论，大都已被我们遗忘，但我相信，经过亲手实践的理论，是会一直牢记的。
再次感谢徐老师的授课！
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