信道模拟实验陈植锋.docx
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信道模拟实验陈植锋
GDOU-B-11-112
广东海洋大学学生实验报告书（学生用表）
实验名称
实验四信道模拟实验
课程名称
通信原理
课程号
学院（系）
信息学院
专业
电子信息工程
班级
电子1104
学生姓名
陈植锋
学号
实验地点
实验日期
2012-12-03
实验四信道模拟实验
1、实验目的
1.了解信道的定义、噪声对信道的影响，理想信道与随机的传输特性及其对信号的影响。
2.比较编码信号与未编码信号在随机信道中传输，了解纠错编码原理。
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，观察信道输出信号及其误码率。
2．将输出的NRZ码（未编码）输入本模块，编码后再输入信道，并经过解码，观察通过编解码后信号的误码率，并与同等噪声功率时未编码信号的误码率进行比较。
3．观察眼图并作分析记录。
三、实验器材
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。
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4-1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P（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。
00
11
图4-1二进制编码信道模型
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。
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。
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（4－1）
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（4－1）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4-1所列。
表4-1
S1S2S3
错码位置
S1S2S3
错码位置
001
010
100
011
α0
α1
α2
α3
101
110
111
000
α4
α5
α6
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。
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给定信息位后，可直接按上式算出监督位，其结果如表4-2所列。
表4-2
信息位
监督位
信息位
监督位
α6α5α4α3
α2α1α0
α6α5α4α3
α2α1α0
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
000
011
101
110
110
101
011
000
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
111
100
010
001
001
010
100
111
接收端收到每个码组后，计算出S1、S2和S3，再按表4-2判断错码情况。
例如，若接收码组为0000011，计算可得S1＝0，S2＝1，S3＝1。
由于S1S2S3等于011，故根据表4-1可知在α3位有一错码。
按上述方法构造的码称为汉明码。
表4-2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。
4．传输畸变和眼图
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4-2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4-2眼图模型
5、实验步骤
（一）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，再分别按下两个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED001、LED002、LEDC01、LEDC02、LED600发光，三个模块均开始工作。
3．将信号源模块的拨码开关SW101、SW102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（BS）与帧同步信号（FS）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。
则终端的第一排二极管显示的是直接从信号源输出的数据，第二排二极管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．将信号源的SW103、SW104和SW105拨位，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，观察噪声对第二排二极管显示数据的影响。
同时用示波器观察信道输入与信道输出1处的信号波形。
6．将通过信道的信号从信道输出端口输出，其它连线方式同步骤4，观察限带信道对信号传输的影响。
（二）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，则终端的第一排二极管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）
2．信道模拟模块的噪声功率调节电位器固定在噪声功率最小的位置处，用示波器观察信道输出1处的信号，观察编码后的信号是否符合表18-2的规则（注意：
为将（7，4）汉明码补足为8位码，我们在每一个（7，4）汉明码前添加了一位零。
因此，1000编码将得到01000111）。
3．任意将“误码”拨码开关的右七位中的一位拨为高，观察编码后信号及终端显示的变化。
4．任意将“误码”拨码开关的右七位中的两位拨为高，观察编码后信号及终端显示的变化。
（三）眼图实验
1．将信号源模块的位同步信号的频率设为8KHz（码速率选择开关拨为00000010、01010110），用信号源模块产生的NRZ码作为输入信号（NRZ码可拨为任意码型），连接到信道模拟的信道输入。
2．用信号源模块的位同步信号作为示波器的外部触发信号，通过调节信道模拟模块上的噪声功率调节旋钮，观察从信道输出2端口输出的NRZ码眼图并记录下来。
六、输入、输出及测量点说明
1．输入点参考说明
信道输入：
信道输入点。
编码输入-数据：
编码数据输入点。
编码输入-位同步：
编码位同步信号输入点。
编码输入-帧同步：
编码帧同步信号输入点。
解码输入-数据：
解码数据输入点。
解码输入-位同步：
解码位同步信号输入点。
解码输入-帧同步：
解码帧同步信号输入点。
2．输出点参考说明
信道输出1：
无限带宽信道输出点。
信道输出2：
带限（8K）信道输出点。
编码输出-数据：
编码数据输出点。
编码输出-位同步：
编码位同步信号输出点。
编码输出-帧同步：
编码帧同步信号输出点。
解码输出-数据：
解码数据输出点。
解码输出-位同步：
解码位同步信号输出点。
解码输出-帧同步：
解码帧同步信号输出点。
3．测量点参考说明
噪声：
测量观察噪声波形及频谱。
GND1、GND2：
接地点。
七、实验结果
八、实验思考题
1、本实验中的噪声为加性噪声，试说明实际信道中的加性噪声有哪些，各有什么特点？
答：
实际信道中的加性噪声主要是随机噪声。
可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声三类。
（1）单频噪声是一种连续波的干扰，它的主要特点是占有极窄的频带，但在频率轴上的位置可以实测，所以单频噪声并不是在所有通信系统中都存在；
（2）脉冲噪声是在时间上无规则地突发的短促噪声，其主要特点是其突发的脉冲幅度大，但持续时间短，且相邻突发脉冲之间往往有较长的安静时段；（3）起伏噪声是以热噪声、散弹噪声及宇宙噪声为代表的噪声。
其特点是无论在时域内还是在频域内它们总是普遍存在和不可避免的。
2、本实验中使用的纠错码为汉明码，举出其他常用的纠错码并比较它们的优缺点。
答：
其他常用的纠错码有循环码、BCH码、卷积码等。
其中
（1）汉明码是一种高效的能纠错单个错误的线性分组码。
因为在纠单个错误时，汉明码所用的监督码元最少，与码长相同的能纠单个错误的其它编码相比，循环码编码效率最高。
但是它只能纠正单个随机错误的码。
（2）循环码的编码和解码设备都不太复杂，且检错和纠错能力较强。
循环码除了具有线性码的一般性质外，还具有循环性。
（3）BCH码是一种特别重要的循环码，它解决了生成多项式与纠错能力的关系问题，可以方便地得到纠正多个随机错误的码。
（4）卷积码是一种非分组码，码的构造也比较简单，在性能上也相当优越。
但是它的数学理论并不像循环码那样完整严密。
3、实验
（二）步骤3和步骤4的结果是否不同？
如果不同，试说明原因。
答：
结果不同。
因为本实验中使用的纠错码为汉明码。
汉明码只能纠正一个错码，所以当出现两位错码的时候，汉明码无法判断哪一位出现错误，导致解码出错。
4、为什么利用眼图能大致估算接收系统性能的好坏程度？
答：
因为评价基带传输系统性能的一种定性而方便的方法是用示波器观察接收端的基带信号波形，用来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响。
而通过眼图的观察能直观地了解到码间串扰和噪声的一个影响。
当无码间串扰和噪声干扰时，示波器显示的迹线细而清晰，“眼睛”张开。
当有干扰时各个码元波形不能完全重合，扫描迹线粗而不清晰，“眼睛”闭合。
眼图中央的垂直线表示了最佳的抽样时刻。
眼图中央的横轴位置即是最佳判决的门限电平。
当基带传输系统存在码间串扰时，眼图将部分闭合，故眼图的“眼”睁的大小将反映码间串扰的强弱。
9、实验总结
通过本次实验使我了解信道的定义、噪声对信道的影响，理想信道与随机信道的传输特性及其对信号的影响，了解纠错编码的原理，掌握眼图波形与信号传输畸变的关系。
通过观察实验结果波形加深了我对书本上内容的理解。
另外，每次实验也是对自身动手能力的锻炼。
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