基带信号眼图实验matlab仿真.docx
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基带信号眼图实验matlab仿真
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
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
，
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
。
其中
（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：
（3-2）
频域应满足：
（3-3）
图3-2理想基带传输特性
此时频带利用率为
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：
（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
时是适宜的。
（3-5）
这里
称为滚降系数，
。
所对应的其冲激响应为：
（3-6）
此时频带利用率降为
，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
，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
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
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s
Fs=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;%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）
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），Rs<2B，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s
Fs=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;%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），Rs>2B不再满足奈奎斯特第一准则。
多进制码元情况：
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
%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ISI
Fs=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:
Num
forjj=1:
Samp_rate
Samp_data（k）=NRZ（ii）;
k=k+1;
end
end
%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
figure
（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;
end
xlabel（'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'）;
%holdon;
%gridon;
%title（'基带信号眼图'）;
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