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第3章MATLAB的仿真測(cè)量?jī)x器3.1概述3.2電壓測(cè)量3.3時(shí)間域的測(cè)量?jī)x器3.4頻率域的測(cè)量?jī)x器3.5其他顯示儀器3.6誤碼表3.1概述 測(cè)量?jī)x器是學(xué)習(xí)、研究開發(fā)、檢測(cè)驗(yàn)證過程中進(jìn)行試驗(yàn)所必需的設(shè)備。對(duì)于從事工程技術(shù)工作的人,沒有測(cè)量?jī)x器是不可想象的。近年來,電子科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn),相當(dāng)多的工程技術(shù)人員因?yàn)榉N種原因,難以擁有與技術(shù)進(jìn)步同步的測(cè)量?jī)x器來進(jìn)行科學(xué)研究及試驗(yàn)工作,而應(yīng)用MATLAB的Simulink仿真試驗(yàn)方法可以建立仿真的試驗(yàn)環(huán)境。在掌握正確的方法后,可以直接應(yīng)用MATLAB工具箱中的測(cè)量?jī)x器或者構(gòu)建滿足工作需要的測(cè)量?jī)x器,以便提高仿真試驗(yàn)工作的效率,使仿真試驗(yàn)更加豐富多彩。 特別需要說明的是,雖然仿真有許多的用途和優(yōu)點(diǎn),但是仿真不是萬能的,不能完全取代實(shí)際的試驗(yàn)。應(yīng)用MATLAB軟件的M文件的編程作圖功能,同樣能夠?qū)崿F(xiàn)將數(shù)據(jù)文件表示為時(shí)間域、頻率域的可視化的圖形。本章主要介紹應(yīng)用Simulink來構(gòu)建和使用測(cè)量?jī)x器的方法。3.2電壓測(cè)量 3.2.1指針式電壓表 指針式儀表將輸入的量值用圖形化的指針與相應(yīng)的刻度表示出來??梢酝ㄟ^參數(shù)設(shè)置對(duì)話框來設(shè)置儀表的外觀、量程、刻度、顏色、字型等。 圖3-1所示為指針式電壓表仿真的模型。指針式儀表因?yàn)橹羔様[動(dòng)有慣性,通常適用于直流參數(shù)測(cè)量。作為演示,不妨接入一個(gè)正弦波發(fā)生器。將它的信號(hào)頻率設(shè)置為0.1Hz,電壓表的指示范圍為0~100V,采用了一個(gè)取絕對(duì)值的模塊Abs(取自Simulink\MathOperations),它也可以看成是全波整流器。指針式電壓表的指針隨著超低頻的脈動(dòng)直流電壓而擺動(dòng)。表3-1顯示了SineWave(正弦信號(hào)發(fā)生器)的主要參數(shù)。圖3-1指針式電壓表仿真框圖表3-1SineWave(正弦信號(hào)發(fā)生器)的主要參數(shù) 圖3-2所示是指針式電壓表當(dāng)激活標(biāo)簽Ticks時(shí)的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。 激活不同的標(biāo)簽,可以彈出不同的對(duì)話框。在不同的對(duì)話框里,根據(jù)對(duì)話框的提示,即可完成參數(shù)的設(shè)置。如果沒有重新設(shè)置,就沿用原來的缺省設(shè)置。表3-2所示是ActiveXControl屬性對(duì)話框中各種標(biāo)簽的列表。 圖3-2指針式電壓表參數(shù)設(shè)置對(duì)話框(激活標(biāo)簽Ticks)

表3-3所示是LowerLeft(指針式電壓表)的主要參數(shù)。

圖3-2指針式電壓表參數(shù)設(shè)置對(duì)話框(激活標(biāo)簽Ticks)表3-2ActiveXControl屬性對(duì)話框的標(biāo)簽內(nèi)容表3-3LowerLeft(指針式電壓表)的主要參數(shù) 3.2.2數(shù)字式電壓表 圖3-3顯示了數(shù)字式電壓表仿真的模型。由于使用了超低頻的正弦信號(hào)發(fā)生器作信號(hào)源(與上例相同),在演示時(shí)可以看清數(shù)字的變化而又不至于太快。仿真模型里采用了兩種數(shù)碼顯示器,大的數(shù)碼顯示器選自Dials&GaugesBlockset(撥號(hào)盤和儀表板)工具箱,小的數(shù)碼顯示器就選自Simulink(仿真)的Sinks(信宿)模塊庫(kù)。表3-4顯示了Scope(示波器)的主要參數(shù)。表3-5顯示了Display(顯示器)的主要參數(shù)。圖3-3數(shù)字式電壓表仿真框圖表3-4Scope(示波器)的主要參數(shù)表3-5Display(顯示器)的主要參數(shù) 圖3-3中右上角的設(shè)備是通用數(shù)字發(fā)光二極管。圖3-4顯示了數(shù)字式電壓表參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。 激活不同的標(biāo)簽,可以彈出不同的對(duì)話框。該對(duì)話框中有General(通用)、Library(庫(kù))、Background(背景)等標(biāo)簽。圖3-4數(shù)字式電壓表參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 表3-6顯示了GenericNumericLED(通用數(shù)字發(fā)光二極管)的主要參數(shù)。通過參數(shù)設(shè)置可以得到不同的背景色,發(fā)光二極管的開啟、關(guān)閉的顏色,筆畫的寬度、間距,顯示器的位數(shù)等。表3-6GenericNumericLED(通用數(shù)字發(fā)光二極管)的主要參數(shù)3.3時(shí)間域的測(cè)量?jī)x器 3.3.1示波器 無論是通信還是信號(hào)與系統(tǒng)分析,電子工程領(lǐng)域絕大多數(shù)信號(hào)是時(shí)間的函數(shù),系統(tǒng)的時(shí)間域特性也用沖激響應(yīng)來描述。從事信號(hào)與系統(tǒng)的分析和試驗(yàn)離不開時(shí)間域的測(cè)量?jī)x器。讓人們最先想到的時(shí)間域的測(cè)量?jī)x器就是普通示波器和數(shù)字存儲(chǔ)示波器。

普通示波器最基本的構(gòu)成如下: (1)Y(信號(hào))通道設(shè)有寬帶(直流到高頻)放大器和與之相應(yīng)的步進(jìn)寬帶衰減器,以及直流電壓調(diào)節(jié)的位移旋鈕。它們共同作用可以實(shí)現(xiàn)將小到毫伏量級(jí)、大到幾百伏量級(jí)的電壓信號(hào)不失真地放大,或者衰減到若干伏量級(jí)的大小,與示波管的偏轉(zhuǎn)靈敏度相適應(yīng),使得屏幕上顯示便于觀測(cè)和分析的圖像,得到合適的大小與位置的時(shí)域電波形。

(2)X(掃描)單元設(shè)有精密鋸齒波產(chǎn)生器(亦稱為時(shí)基系統(tǒng))、大動(dòng)態(tài)范圍的線性放大器和相應(yīng)的觸發(fā)同步電路。應(yīng)用它們可將被觀測(cè)信號(hào)用不同檔次的時(shí)間坐標(biāo)展開,當(dāng)信號(hào)與掃描同步時(shí),顯示的波形是穩(wěn)定的。 數(shù)字存儲(chǔ)示波器通過采樣、模/數(shù)變換器將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),以便存儲(chǔ)和顯示。 用計(jì)算機(jī)仿真的示波器應(yīng)用的是數(shù)字技術(shù),具備脈沖示波器、同步示波器的功能,可以觀測(cè)單次現(xiàn)象。正確地設(shè)置參數(shù)后,可以保持結(jié)束時(shí)的波形。數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)也有許多方法。 圖3-5所示是一個(gè)用Scope(示波器)顯示1GHz正弦波的例子(不是任何實(shí)驗(yàn)室中都有可以觀察1GHz正弦波的示波器)。在仿真條件下正確應(yīng)用Scope模塊,可以觀察任意頻率的信號(hào)。圖3-51GHz正弦波顯示仿真系統(tǒng)框圖 用鼠標(biāo)左鍵雙擊仿真圖3-5中的Scope(示波器)模塊,彈出TimeScope顯示窗,如圖3-6所示。用鼠標(biāo)左鍵單擊圖3-6顯示窗上部工具欄中左起第二個(gè)圖標(biāo),彈出的對(duì)話框如圖3-7所示,主要參數(shù)設(shè)置見表3-7。表3-8給出了仿真的起始和結(jié)束時(shí)間。圖3-61GHz正弦波的示波器顯示圖3-7示波器顯示對(duì)話框1表3-7Scope(示波器)的主要參數(shù)表3-8SimulationParameters仿真參數(shù)的設(shè)置 關(guān)鍵參數(shù)有兩個(gè): (1)Timerange(時(shí)間范圍)。它決定了時(shí)窗的寬度,相當(dāng)于示波器的掃描速度開關(guān)。 頻率愈高的信號(hào),自然需要短的時(shí)窗(高的掃描速度),信號(hào)關(guān)于時(shí)間快速變化的特性才能得以展現(xiàn)。本例中,1GHz的正弦信號(hào)一個(gè)周期為1×10-9s,在MATLAB中表示為T=1e-9,時(shí)間范圍設(shè)為5e-9(即5×10-9s),剛好顯示五個(gè)完整的正弦波。 (2)Sampletime(取樣時(shí)間)。通常為了還原出正弦波形,一個(gè)周期內(nèi)至少有20個(gè)取樣點(diǎn)。本例取2e-11s,也就是一個(gè)周期用50個(gè)點(diǎn)來描述。采樣點(diǎn)的多少,以能夠不失真地再現(xiàn)信號(hào)的波形為原則。圖3-8示波器顯示對(duì)話框2 表3-7中的帶“*”的參數(shù)設(shè)置,是在圖3-8所示的對(duì)話框里進(jìn)行的(將鼠標(biāo)置于圖3-6所示的顯示窗內(nèi),單擊右鍵即可彈出該對(duì)話框)。對(duì)話框設(shè)置的參數(shù)決定了信號(hào)在顯示窗中的垂直方向的位置和大小,其作用類似于示波器Y衰減開關(guān)和Y位移電位器。寫上Title(標(biāo)題)以后看起來會(huì)一目了然。

下面是示波器另一應(yīng)用的例子——多蹤示波器。 圖3-9所示是一個(gè)用示波器顯示七蹤信號(hào)的仿真系統(tǒng)。圖3-10所示是示波器顯示的波形。實(shí)踐中的多蹤示波器多數(shù)為雙蹤,四蹤的已經(jīng)非常少見。MATLAB仿真中可以構(gòu)建任意多蹤示波器(視需要而定)。本例中使用一個(gè)七蹤信號(hào)源(伯努利信號(hào)發(fā)生器),參數(shù)設(shè)置參看表3-9。 該隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以設(shè)定Probabilityofazero(零出現(xiàn)的概率),本例設(shè)為0.5,即1和0出現(xiàn)的概率都是50%。一個(gè)由0.5組成的1行7列的矢量,以及表示7個(gè)不同的種子InitialSeed的另一個(gè)1行7列的矢量,共同決定了發(fā)生器產(chǎn)生7列不同的二進(jìn)制隨機(jī)數(shù),它們的0出現(xiàn)的概率都是50%。在較復(fù)雜的電路仿真時(shí)也可以用7個(gè)不同的信號(hào)送入示波器觀察。圖3-9七蹤信號(hào)顯示在同一示波器上的仿真框圖圖3-10七蹤信號(hào)顯示在同一示波器上 其次是有一個(gè)Constant(常數(shù)矢量),它是一個(gè)7列的行矢量,在運(yùn)行時(shí)疊加在信號(hào)發(fā)生器輸出的7列數(shù)據(jù)流上,譬如第7列信號(hào)的每一個(gè)值加上了3.6,相當(dāng)于直流電平增加了3.6V,在示波器上波形垂直平移了3.6V(等效于調(diào)節(jié)了示波器的垂直位移旋鈕)。應(yīng)用這樣的方法可以將每一列信號(hào)移動(dòng)到希望擺放的位置。示波器參數(shù)設(shè)置時(shí),應(yīng)考慮到多蹤信號(hào)與常數(shù)矢量疊加后,在垂直方向占有較大的空間,Y量程的上、下限Ymax、Ymin設(shè)置范圍不夠大時(shí),有的信號(hào)就看不見了(在屏幕外)。表3-9~表3-11分別給出了信號(hào)源、常數(shù)、示波器的主要參數(shù)。表3-12顯示了圖3-9所示仿真系統(tǒng)的Simulationparameters(仿真時(shí)間參數(shù))的設(shè)置。表3-9BernoulliRandomBinaryGenerator(伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器)的主要參數(shù)表3-10Constant(常數(shù))的主要參數(shù)表3-11Scope(示波器)的主要參數(shù)表3-12SimulationParameters仿真參數(shù)的設(shè)置 3.3.2X-Y記錄儀

X-Y記錄儀是水平X、垂直Y方向都有輸入信號(hào)端子,與X、Y輸入端相連的放大器分別連接到顯示屏的水平與垂直偏轉(zhuǎn)板的示波器。最早的應(yīng)用是觀察李沙育圖形,用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與待測(cè)信號(hào)形成的李沙育圖形來進(jìn)行頻率的測(cè)量。數(shù)字頻率計(jì)出現(xiàn)后,已經(jīng)很少有人用這種方法測(cè)頻率,但是X-Y記錄儀在電子工程中仍然有許多應(yīng)用。 圖3-11所示是一個(gè)用X-Y記錄儀顯示李沙育圖形的例子,分別用兩個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)源接在X-Y記錄儀的水平與垂直的輸入端子上,X-Y記錄儀(XYGraph)上面的端口是X輸入端,下面的端口是Y輸入端。由于接Y端子(下)的信號(hào)頻率是接X端子(上)的信號(hào)頻率的四倍,李沙育圖形顯示了一個(gè)橫向排列的四個(gè)封閉圖形,如圖3-12所示。如果X信號(hào)頻率是Y信號(hào)頻率的四倍,圖3-12顯示的圖形將旋轉(zhuǎn)90°,成為縱向排列的四個(gè)封閉圖形。表3-13~表3-15分別顯示了X、Y輸入信號(hào)的兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器、X-Y記錄儀、仿真時(shí)間的參數(shù)設(shè)置。圖3-11X-Y記錄儀應(yīng)用框圖圖3-12X-Y記錄儀顯示的李沙育圖形表3-13SignalGenerator(信號(hào)發(fā)生器)的主要參數(shù)表3-14X-Y記錄儀(XYGraph)的主要參數(shù)表3-15仿真參數(shù)設(shè)置 3.3.3邏輯分析儀 邏輯分析儀是數(shù)字電路開發(fā)、研究試驗(yàn)中不可缺少的儀器。它具有類似多蹤示波器的特征,所不同的是:邏輯分析儀顯示的是代表二進(jìn)制碼元的波形或者狀態(tài),信號(hào)數(shù)據(jù)流不停地進(jìn)入存儲(chǔ)器,一旦工作(存儲(chǔ))停止時(shí),存儲(chǔ)器中保留的是最后進(jìn)入的,等于存儲(chǔ)器容量的數(shù)據(jù)信息。十多路甚至幾十路的碼元序列以相同的時(shí)間坐標(biāo)排列在屏幕上,可以沿時(shí)間軸滾動(dòng)來觀察。同時(shí),可以設(shè)定特定的觸發(fā)字,以此作為停止存儲(chǔ)的參考時(shí)間坐標(biāo)。 圖3-13所示是一個(gè)邏輯分析儀仿真試驗(yàn)的例子,其顯示部分是一個(gè)前面介紹過的多蹤示波器(右下部分)。這里介紹一個(gè)新的示波器。它是出自DSPBlockset(數(shù)字信號(hào)處理模塊)的信宿Sinks2。信號(hào)源是前面介紹過的7路伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。圖3-13邏輯分析儀仿真試驗(yàn)的框圖

Constant1(常數(shù))、Xor(異或門)、MatrixSum(矩陣求和,位置在DPSBlokset\MathFunction\MathOperations中)、Relay(繼電器)、TransDelay(傳輸延遲,位置在DPSBlokset\SignalOperations中)、Constant(常數(shù))、trigss(觸發(fā)門控開關(guān),位置在Simulink\Ports&Subsystem中)、StopSimulink(停止仿真,位置在Simulink\Sinks中)等模塊,共同構(gòu)成了觸發(fā)字控制功能電路。當(dāng)7路信息流的數(shù)據(jù)在某一個(gè)時(shí)刻與原先設(shè)定的常數(shù)矢量Constant1吻合時(shí),異或門輸出一個(gè)7個(gè)零的行矢量,此時(shí)多路加法器輸出最小值,由繼電器整形出一個(gè)1到0的下跳,這就是觸發(fā)字對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖,也是一個(gè)時(shí)間標(biāo)記。 我們常常關(guān)心的是該標(biāo)記之前、之后若干時(shí)間內(nèi)的信息數(shù)據(jù),標(biāo)記之后的長(zhǎng)度由傳輸延遲設(shè)定。達(dá)到設(shè)定的延遲后,仿真立即停止。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的信息就是以觸發(fā)字為標(biāo)記之后傳輸延遲時(shí)間為界限之前的信息。存儲(chǔ)器里面存儲(chǔ)了從停止仿真倒數(shù)回去,等于存儲(chǔ)器容量深度的所有信息。 示波器scope1完全用于數(shù)字信號(hào)觀測(cè),通常前面與一個(gè)Zero-OrderHold(采樣保持電路)相連。采樣保持電路設(shè)定的參數(shù)Sampletime就是后面示波器的采樣時(shí)間。本例中采樣保持電路Hold均設(shè)為0.25。 表3-16給出了本例中采用的時(shí)間幀示波器的主要參數(shù)。示波器的使用是與采樣時(shí)間聯(lián)系在一起的,Horizontaldisplayspan(水平顯示跨度)用于設(shè)定在屏幕上顯示多少個(gè)采樣點(diǎn),點(diǎn)數(shù)與采樣時(shí)間的乘積就是示波器的掃描時(shí)間。Numberofinput(輸入信道數(shù))表示輸入多少路信號(hào),它與前一款示波器不同的是,前者當(dāng)注明多個(gè)信道時(shí),是用多個(gè)顯示窗顯示輸入的每個(gè)信號(hào),后者則是用一個(gè)顯示窗顯示多個(gè)信號(hào)。如果希望將多個(gè)信號(hào)在垂直Y方向上分開,在輸入之前將信號(hào)與一個(gè)長(zhǎng)度與信號(hào)數(shù)相等的矢量相加,就可以實(shí)現(xiàn)將它們分開的目的。表3-16TimeFrameScope(時(shí)間幀示波器)的主要參數(shù) 現(xiàn)將圖3-13所示仿真系統(tǒng)中scope1顯示的波形(如圖3-14所示)做一簡(jiǎn)單的分析:scope1(示波器) 前面有一個(gè)三支路的MUX(合路器),將圖3-13中所示的1、2、3路信號(hào)送入scope1(示波器),顯示在一個(gè)屏上。Constant(常數(shù))矢量設(shè)定為[01.52.5],使得示波器的屏幕顯示從上往下依次對(duì)應(yīng)電原理圖里的三路信號(hào)是2、3、1。圖3-14仿真系統(tǒng)中scope1顯示的波形 信號(hào)2是MatrixSum(矩陣求和)的輸出,僅僅在七路信號(hào)與觸發(fā)字吻合時(shí)輸出最低電平(即0V),該路信號(hào)被Constant(常數(shù))矢量向上平移了1.5格。觸發(fā)字在顯示窗中的水平刻度(時(shí)間)是“150”。 信號(hào)1是延遲器的輸出。開始仿真時(shí),MatrixSum(矩陣求和)輸出就是非零數(shù)(因?yàn)橹挥休斎胄盘?hào)與觸發(fā)字吻合時(shí)矩陣和輸出才為零),經(jīng)繼電器整形后輸出為“1”。該“1”電平經(jīng)250個(gè)碼元周期延遲后才顯示出來,在圖中刻度為190左右(開始部分的信號(hào)已經(jīng)出了顯示窗)。 數(shù)據(jù)流與觸發(fā)字吻合的時(shí)刻之后250個(gè)碼元周期,即刻度為“400”(150+250=400)處仿真停止。此時(shí)信號(hào)1產(chǎn)生一個(gè)下跳,這是觸發(fā)字產(chǎn)生的下跳延遲250個(gè)碼元寬度后的響應(yīng)。 通過Trigss1(觸發(fā)電路)即時(shí)產(chǎn)生一個(gè)使仿真停止的上跳(信號(hào)3)。 圖3-15所示是scope2(示波器2,即邏輯分析儀的顯示屏)顯示的七路隨機(jī)數(shù)字信號(hào)。 在水平刻度為“150”的地方,信號(hào)的值為[1111111],此時(shí)與觸發(fā)字吻合,產(chǎn)生最初的下跳脈沖。

圖3-15邏輯分析儀scope2顯示的波形 表3-16~表3-18分別是兩個(gè)scope1、scope2(示波器)模塊,四個(gè)Constant(常數(shù))模塊,以及Relay(繼電器)模塊的主要參數(shù)。表3-17Constant(四個(gè)常數(shù))模塊參數(shù)的設(shè)置表3-18Relay(繼電器)的主要參數(shù) 圖3-16所示是仿真圖中Relay(繼電器)(位于Simulink\Discontinuities中)的對(duì)話框。圖3-16仿真圖中繼電器Relay的對(duì)話框 圖3-17所示是系統(tǒng)中scope1(示波器)的對(duì)話框。圖3-18所示是仿真系統(tǒng)中觸發(fā)電路的展開圖,它是由位于Simulink\Ports&Systems中的TriggeredSubsystem模塊增加了Sum(加法器)和Constant(常數(shù))而組成的。 圖3-19所示是圖3-18中Trigger激活后的對(duì)話框,本例中參數(shù)Triggertype設(shè)定為Falling,表示是下降沿觸發(fā)。圖3-17系統(tǒng)中示波器scope1的對(duì)話框圖3-18仿真系統(tǒng)中觸發(fā)電路的展開圖圖3-19在圖3-18中的Trigger激活后的對(duì)話框 讀者在按照本節(jié)所述的連接與參數(shù)設(shè)置建立了邏輯分析儀以后,可以改變Constant1(常數(shù))的設(shè)置,觀察在運(yùn)行后scope2的顯示,驗(yàn)證在水平刻度為“150”處的數(shù)據(jù)序列的數(shù)值是否與新設(shè)定的觸發(fā)字Constant1吻合。將伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器換成你所進(jìn)行的仿真試驗(yàn)電路中各點(diǎn)的信號(hào)輸入,就可以體驗(yàn)邏輯分析儀為你的仿真試驗(yàn)帶來的方便。 3.3.4相位儀 相位儀就是顯示復(fù)信號(hào)相角隨時(shí)間變化特性的儀器。它就是一個(gè)顯示相角時(shí)域特性的示波器。應(yīng)用MATLAB的相關(guān)模塊可以構(gòu)成相位儀,在MATLAB5.3及以前的版本中也有與頻譜儀、示波器做在一起的相位儀。圖3-20所示是一個(gè)相位儀仿真試驗(yàn)的例子,應(yīng)用兩個(gè)正弦信號(hào)產(chǎn)生器分別產(chǎn)生復(fù)信號(hào)的實(shí)部和虛部,通過一個(gè)RealImagtoComplex(實(shí)部虛部復(fù)合器,位于Simulink\MathOperations中)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)信號(hào),再通過一個(gè)ComplextoMagnitudeAngle(復(fù)信號(hào)分解器,位于Simulink\MathOperations中)將復(fù)信號(hào)分解為模與相角成分,將相角函數(shù)用示波器展示,即是一個(gè)簡(jiǎn)單的相位儀的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。圖3-20相位儀仿真試驗(yàn)框圖 圖3-21所示是相位儀仿真試驗(yàn)的顯示圖形。表3-19~表3-21分別是信號(hào)發(fā)生器、示波器、仿真時(shí)間的參數(shù)設(shè)置。圖3-21相位儀仿真試驗(yàn)顯示表3-19SignalGenerator(信號(hào)發(fā)生器)的主要參數(shù)表3-20Scope(示波器即相位儀)的主要參數(shù)表3-21SimulationParameters仿真參數(shù)的設(shè)置3.4頻率域的測(cè)量?jī)x器 3.4.11GHz信號(hào)的頻譜 信號(hào)與系統(tǒng)頻率域特性的測(cè)量與時(shí)間域的測(cè)量同樣重要,在一些特定的環(huán)境下,頻率域特性的獲取甚至是不可取代的。 頻譜儀的基本構(gòu)成如下: (1)垂直通道:寬帶前置放大器,后面是外差式的帶寬極窄的“中頻”fm放大器,最后是視頻放大器連接到垂直偏轉(zhuǎn)板。 (2)水平通道:連接到水平偏轉(zhuǎn)板的掃描鋸齒波電壓與線性掃頻信號(hào)fL~fH同步,線性掃頻信號(hào)的范圍是fL~fH。

線性掃頻信號(hào)是外差式接收機(jī)的本振信號(hào)。輸入信號(hào)的頻率fc剛好等于線性變化的掃頻信號(hào)的某個(gè)頻率fI(fL<fI<fH)與“中頻”的差值fc=fI-fm時(shí),fc剛好能夠通過“中頻”放大器,在顯示屏上留下它的蹤跡。 由于掃頻信號(hào)與顯示器的鋸齒波同步,水平刻度顯示出與fI-fm對(duì)應(yīng)的頻率刻度fc。如果fc由多個(gè)頻率成分fck(k=1,2,…)組成,在掃頻信號(hào)變化的周期里就使fc中的各個(gè)頻率成分隨著本振信號(hào)頻率的線性增長(zhǎng),依次滿足fck=fIk-fm,在顯示屏上留下各自的蹤跡。在水平刻度的fIk-fm相應(yīng)位置,顯示出了頻率為fck的譜線,并且可以讀出相應(yīng)于fck的頻率刻度值。由于頻譜儀的價(jià)格較貴,因此頻譜儀并不普及。 計(jì)算機(jī)仿真中的頻譜儀應(yīng)用的是數(shù)字信號(hào)處理中的快速傅立葉變換(FFT)技術(shù)。在現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)的測(cè)量?jī)x器中,許多已經(jīng)具備了FFT的功能。在這里簡(jiǎn)要介紹FFT的由來。

離散傅立葉變換的公式如下: 可以看出,求出離散時(shí)間域的信號(hào)x(n)的N點(diǎn)離散傅立葉變換f(k),需要N2次復(fù)數(shù)乘法和N(N-1)次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算。當(dāng)N很大時(shí),大量的計(jì)算需要很長(zhǎng)的時(shí)間和很多資源,影響了它的推廣和應(yīng)用。快速傅立葉變換FFT利用了表達(dá)式中旋轉(zhuǎn)因子W的對(duì)稱性和周期性:

(3-1)

Wm+LNN=WmN W-mN=WN-mN [WN-mN]*=WmN Wm+N/2N=-WmN

將上述計(jì)算的復(fù)數(shù)乘法的次數(shù)降低為(N/2)lbN,復(fù)數(shù)加法的次數(shù)降低為NlbN。計(jì)算量的銳減,極大地?cái)U(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。 下面介紹頻譜儀的參數(shù)設(shè)置。 圖3-22所示是圖3-5中的SpectrumScope(頻譜儀)顯示的1GHz信號(hào)的頻譜。表3-22所示是用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖3-5中的SpectrumScope(頻譜儀)后,彈出的對(duì)話框(如圖3-23、圖3-24所示)中的參數(shù)設(shè)置內(nèi)容。(3-2)圖3-22圖3-5中的頻譜儀顯示的1GHz信號(hào)的頻譜表3-22SpectrumScope(頻譜儀)的主要參數(shù)圖3-23頻譜儀參數(shù)設(shè)置對(duì)話框(激活Showaxisproperties) 頻譜儀參數(shù)設(shè)置要點(diǎn)如下: (1)頻譜儀應(yīng)用快速傅立葉變換FFT完成數(shù)據(jù)流從時(shí)域到頻域的變換。 首先將時(shí)域的數(shù)據(jù)流取出一段來,F(xiàn)FTsize(快速傅立葉變換的長(zhǎng)度)確定為N,以便進(jìn)行FFT的運(yùn)算。通常要求N是2的冪。正因?yàn)橐〕鲩L(zhǎng)度為N的一段數(shù)據(jù),就需要設(shè)置相應(yīng)長(zhǎng)度的Buffersize(緩存長(zhǎng)度),通常這兩個(gè)長(zhǎng)度是一樣的。N的大小,即時(shí)窗的長(zhǎng)短,決定了頻譜儀的分辨率。時(shí)窗N愈長(zhǎng),頻率分辨率愈高(可以將相隔很近的譜線區(qū)分開來),但是計(jì)算出相關(guān)結(jié)果所需要的時(shí)間也愈長(zhǎng)。 數(shù)據(jù)流分段的方法會(huì)影響FFT的結(jié)果,分段時(shí)Bufferoverlap(重疊的長(zhǎng)度)、Numberofspectralaverages(頻譜數(shù)據(jù)的平均數(shù))會(huì)影響頻譜特性的平滑程度,這兩個(gè)數(shù)值愈大,特性愈平滑。時(shí)窗愈長(zhǎng),重疊的長(zhǎng)度愈長(zhǎng),計(jì)算的時(shí)間就愈長(zhǎng),即頻譜出現(xiàn)的時(shí)間延遲就要長(zhǎng)一些。 值得注意的是,對(duì)于非平穩(wěn)隨機(jī)現(xiàn)象進(jìn)行研究時(shí),作短時(shí)傅立葉變換,本來就是想得到頻譜特性隨時(shí)間變化的規(guī)律。時(shí)窗N太長(zhǎng),降低了時(shí)頻特性的時(shí)間分辨率。因此,參數(shù)的設(shè)置應(yīng)具體情況具體分析。 (2)希望所研究的譜線內(nèi)容出現(xiàn)在頻譜儀顯示窗的中間部分,能看到在頻率軸上譜線的低端和高端的情況,以便于觀察和分析。要做到這一點(diǎn),將輸入信號(hào)的采樣頻率取為期望的頻率顯示窗最大值的兩倍即可。參數(shù)中的FrequencyRange(頻率范圍)選[0...Fs/2]就是這個(gè)道理(Fs就是采樣頻率,亦是采樣時(shí)間的倒數(shù))。此時(shí),采樣頻率是頻譜儀顯示窗的中點(diǎn)頻率的4倍。 (3)注意頻譜儀的采樣頻率與被測(cè)信號(hào)的采樣頻率要一致。 該頻譜儀完全用于數(shù)字信號(hào)測(cè)量,通常輸入端與一個(gè)ZeroOrderhold(采樣保持電路)相連。特別是觀測(cè)連續(xù)信號(hào)時(shí),如果沒有采樣保持電路,頻譜儀就不工作。 采樣保持電路設(shè)定的參數(shù)Sampletime應(yīng)與后面的頻譜儀的采樣時(shí)間相同。本例中,采樣保持電路Hold與頻譜儀的采樣時(shí)間均設(shè)為2.5e-10,采樣頻率即為Fs=4e9(4GHz),此時(shí)1GHz的頻率刻度正好在頻譜儀顯示窗的中心。當(dāng)采樣時(shí)間減小時(shí),采樣頻率提高,顯示窗的刻度值變大,1GHz的譜線就左移,反之就右移。 (4)在雙擊頻譜儀模塊后,從彈出的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中可以發(fā)現(xiàn)有四種激活Show(顯示)的選項(xiàng),下面是對(duì)激活每種選項(xiàng)能夠進(jìn)行設(shè)置的參數(shù)的介紹:

當(dāng)激活Showaxisproperties(顯示坐標(biāo)軸特性)時(shí),彈出圖3-23所示的對(duì)話框。它用于設(shè)定采樣時(shí)間、頻率范圍、坐標(biāo)刻度是對(duì)數(shù)還是線性、Y軸顯示的范圍等與顯示窗的水平垂直坐標(biāo)刻度有關(guān)的量。 當(dāng)激活Showscopeproperties(顯示示波器特性)時(shí),彈出圖3-24所示的對(duì)話框。

它用于設(shè)定存儲(chǔ)器長(zhǎng)度、FFT長(zhǎng)度、交疊的長(zhǎng)度、計(jì)算平均值的點(diǎn)數(shù)等與計(jì)算快速傅立葉變換的方法有關(guān)的量。 當(dāng)激活Showdisplayproperties(顯示特性)時(shí),彈出的對(duì)話框可設(shè)定:顯示時(shí)是否加Showgrid(坐標(biāo)刻度線),是否保持所有的顯示內(nèi)容Persistence(長(zhǎng)余輝),顯示窗口是否有l(wèi)egend(圖例),是否有Framenumber(幀數(shù)顯示)等。 當(dāng)激活Showlineproperties(線條特性)時(shí),彈出的對(duì)話框可設(shè)定與線條顯示有關(guān)的參數(shù),如Linevisibility(可視性)、Styles(線形)、Markers(標(biāo)記)、Colors(顏色)等。圖3-24頻譜儀參數(shù)設(shè)置對(duì)話框(激活Showscopeproperties) 3.4.2m序列的頻譜 在許多有關(guān)擴(kuò)頻通信的教科書上都繪出了擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜圖。圖3-25所示是一個(gè)PNSequenceGenerator(偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器)的仿真模型。我們利用一臺(tái)示波器和一臺(tái)頻譜儀來觀察它產(chǎn)生的m序列的時(shí)域和頻域的圖形。圖3-25PN序列的時(shí)域頻域顯示仿真模型 該m序列,周期為24-1=15,時(shí)域波形如圖3-26所示??梢钥闯?,它是以15為周期的脈沖序列,在Timerange(時(shí)間范圍)設(shè)置為45的示波器上剛好顯示了3個(gè)周期的m序列。顯示圖形可以看成是該m序列與以15為周期的脈沖序列的卷積。表3-23給出了PNSequenceGenerator(偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器)的主要參數(shù)。圖3-26示波器顯示的m序列的波形圖表3-23PNSequenceGenerator(偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器)的主要參數(shù) 頻域波形如圖3-27所示。可以看出,這是以15為周期的脈沖序列的頻譜(頻域圖上的間距為1/15的序列狹窄譜線)與m序列的碼元(寬度為1)的方波對(duì)應(yīng)的譜特性的相乘的頻譜結(jié)構(gòu)。(這是展示時(shí)間卷積定律的一個(gè)例子。)采用對(duì)數(shù)方式表達(dá)可以減少峰值和其他值的差別。

ZeroOrderHold(零階采樣保持)電路與頻譜儀的Sampletime(采樣時(shí)間)都設(shè)為0.2。 因?yàn)闀r(shí)間(寬度)為1的偽隨機(jī)二進(jìn)制碼,頻譜的零諧振點(diǎn)是在±1,±2,±3…Hz的點(diǎn)上,Ts設(shè)為0.2,F(xiàn)s即為5Hz應(yīng)用-Fs/2...Fs/2的顯示模式,可以看到4個(gè)零諧振點(diǎn),加上包絡(luò)內(nèi)的1/15Hz間隔的周期信號(hào)的譜線,已經(jīng)足夠表達(dá)該偽隨機(jī)碼的頻譜特性了。表3-24給出了SpectrumScope(頻譜儀)的主要參數(shù)。圖3-27SpectrumScope(頻譜儀)上顯示的m序列的頻譜圖表3-24SpectrumScope(頻譜儀)的主要參數(shù) 偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器PNSequenceGenerator參數(shù)設(shè)置的原則請(qǐng)參看8.1.1小節(jié)。 為了對(duì)頻譜儀的使用有更多的了解,再看下面的兩個(gè)例子。在前面提到,m序列的頻譜是周期為15的沖激序列的頻譜與碼元寬度為1的隨機(jī)信號(hào)的頻譜的乘積。圖3-28所示是周期為15的沖激序列的時(shí)域波形與頻譜。圖3-29所示是碼元寬度為1的隨機(jī)信號(hào)的時(shí)域波形與頻譜。要得到圖示的結(jié)果十分容易,可按下面的方法操作:

(1)將圖3-25中的PNSequenceGenerator(偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器)換成PulseGenerator(脈沖產(chǎn)生器),參數(shù)設(shè)置見表3-25。周期仍然設(shè)為15,為了充分體現(xiàn)是沖激序列,將脈寬設(shè)為1%。根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)分析的理論:周期(Ts)性沖激序列的頻譜是間隔為1/Ts的序列譜線。圖3-28就是應(yīng)用示波器與頻譜儀顯示的結(jié)果,給出了很好的試驗(yàn)驗(yàn)證。如果再把脈寬改為3%,此時(shí)頻譜將會(huì)變化。讀者可以用周期單位沖激與窄方波卷積后波形的頻譜來解釋(這是時(shí)間卷積的又一例子)。 (2)將圖3-25中的PNSequenceGenerator(偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器)換成BernoulliRandomBinaryGenerator(伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器),參數(shù)設(shè)置見表3-26。采樣時(shí)間仍然設(shè)為1。根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)分析的理論:脈寬為1的方波的頻譜類似沖激函數(shù)的形狀(絕對(duì)值),在±1、±2、±3…處分別是第1、2、3零諧振點(diǎn)。圖3-29所示是應(yīng)用示波器與頻譜儀顯示的結(jié)果,給出了很好的試驗(yàn)驗(yàn)證。圖3-28周期為15的沖激序列的時(shí)域波形(左圖)與頻譜(右圖)圖3-29碼元寬度為1的隨機(jī)信號(hào)的時(shí)域波形(左圖)與頻譜(右圖)表3-25PulseGenerator(脈沖產(chǎn)生器)的主要參數(shù)表3-26BernoulliRandomBinaryGenerator(伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器)的主要參數(shù) 3.4.3FM頻率調(diào)制信號(hào)帶寬試驗(yàn)

FM信號(hào)的占帶寬度與頻率調(diào)制指數(shù)m有關(guān),m是最大頻偏與調(diào)制頻率的比值。m值不同,頻譜特性用不同的貝塞爾函數(shù)族描述(調(diào)頻原理在5.4.2節(jié)有較詳細(xì)的介紹)。圖3-30所示是兩個(gè)調(diào)頻信號(hào)的頻譜分布仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。圖3-31所示是頻譜分布圖。本例中觀測(cè)兩個(gè)幅度為1,頻率為50Hz的正弦信號(hào),分別調(diào)制在1000Hz和1400Hz的載頻上,調(diào)制指數(shù)m均為2。圖3-31顯示了以兩個(gè)載頻(1000Hz和1400Hz)為中心,兩族自變量為m(=2)的Jk(m)貝塞爾函數(shù)族的頻譜特性。如果改變載頻的間距(變?。┗蛘哒{(diào)制指數(shù)(變大),將看到兩族譜線的重疊。圖3-30兩個(gè)調(diào)頻信號(hào)的頻譜分布試驗(yàn)圖3-31兩個(gè)調(diào)頻信號(hào)的頻譜分布圖 表3-27、表3-28所示是兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器、兩個(gè)頻率調(diào)制(FM)器的主要參數(shù)設(shè)置。表3-29所示是頻譜儀的主要參數(shù)設(shè)置。表3-27SignalGenerator(信號(hào)發(fā)生器)的主要參數(shù)表3-28FMModulationPassband(通帶頻率調(diào)制器)的主要參數(shù)表3-29SpectrumScope(頻譜儀)的主要參數(shù) 調(diào)制常數(shù)取100Hz/V,調(diào)制頻率的幅度為1V,最大頻偏即為100Hz,調(diào)制頻率為50Hz,調(diào)制指數(shù)即為m=100/50=2。

采樣時(shí)間設(shè)置為Ts=0.0002,F(xiàn)s=5kHz,以0...Fs/2方式顯示時(shí),1.25kHz處于屏幕的中心,1kHz與1.4kHz基本平均地分布在中線的兩旁。 此處設(shè)定了采樣時(shí)間,輸入頻譜儀的已經(jīng)是數(shù)字信號(hào),頻譜儀前不必再用零階采樣保持電路。 3.4.4數(shù)字式頻率計(jì) 數(shù)字式頻率計(jì)是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)量?jī)x器,通常它的工作原理是: (1)將待測(cè)周期信號(hào)整形為周期方波信號(hào)。 (2)建立一個(gè)單位時(shí)間(1s)的門控脈沖,建立一個(gè)計(jì)數(shù)器。 (3)在門控脈沖的時(shí)間間隔內(nèi),對(duì)周期方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器顯示的數(shù)字就是信號(hào)的頻率。 在本例中工作原理有所不同: (1)將待測(cè)周期信號(hào)整形為周期方波信號(hào)。 (2)建立一個(gè)時(shí)鐘源即產(chǎn)生一個(gè)斜率為1的線性電壓,并且建立一個(gè)計(jì)數(shù)器。 (3)以待測(cè)周期信號(hào)的上升(或者下降)沿為門控,截取的時(shí)鐘源線性電壓的差值ΔU就是ΔT,即周期信號(hào)的周期。 (4)求ΔT即周期信號(hào)周期的倒數(shù),即得到周期信號(hào)的頻率F=1/ΔT。

下面對(duì)仿真模型進(jìn)行分析。 圖3-32所示是數(shù)字頻率計(jì)的仿真系統(tǒng)框圖。圖3-32數(shù)字頻率計(jì)的仿真系統(tǒng)框圖

SignalGenerator(信號(hào)發(fā)生器)產(chǎn)生的周期信號(hào)(無論是什么形狀),經(jīng)過Sign(符號(hào))函數(shù)處理后變成雙極性的周期方波,再經(jīng)過Relay(繼電器)處理,變成單極性的周期性方波,幅度為1。表3-30給出了SignalGenerator(信號(hào)發(fā)生器)的主要參數(shù)。表3-31給出了Relay(繼電器)的主要參數(shù)。圖3-33是整形后的周期方波信號(hào)的時(shí)域顯示。表3-30SignalGenerator(信號(hào)發(fā)生器)的主要參數(shù)表3-31Relay(繼電器)的主要參數(shù)圖3-33數(shù)字頻率計(jì)的仿真系統(tǒng)中示波器的波形顯示 圖3-32中的估計(jì)信號(hào)頻率模塊SingleToneFrequencyEstimator是出自Toolbox\commblks\commblksdemos\freqsyn_sim中的模塊。雙擊它后彈出圖3-34所示的框圖,從圖中看出待測(cè)輸入信號(hào)作為觸發(fā)(門控)信號(hào),Clock(時(shí)鐘)作為計(jì)時(shí)輸入。雙擊信號(hào)頻率計(jì)算模塊Calculatesingletonefrequency,彈出圖3-35所示的框圖。圖中減法器的被減數(shù)(+)輸入端是線性增長(zhǎng)的時(shí)鐘電壓,減數(shù)輸入端(-)是時(shí)鐘電壓按照被測(cè)周期信號(hào)的周期取樣以后的階梯信號(hào)。相減以后得到一個(gè)恒定的與周期成正比的電壓值,它就是信號(hào)的周期。再通過求反電路,得到頻率輸出,在數(shù)字頻率計(jì)上最終顯示出頻率。圖3-34Singletonefrequencyestimator(估計(jì)信號(hào)頻率模塊) 圖3-35中的乘法電路中第二個(gè)輸入端的信號(hào)特征是:只要是周期信號(hào)輸入,就恒為1,它與第一個(gè)輸入端的信號(hào)相乘,并不影響輸出。若是直流信號(hào)輸入,就恒為0,它與第一個(gè)輸入端的信號(hào)相乘,使輸出為0。圖3-35Calculatesingletonefrequency(信號(hào)頻率計(jì)算模塊)3.5其他顯示儀器 3.5.1眼圖 眼圖是在數(shù)字通信的工程實(shí)踐中測(cè)試數(shù)字傳輸信道質(zhì)量的一種應(yīng)用廣泛、簡(jiǎn)單易行的方法。實(shí)際上它是一個(gè)掃描周期是數(shù)據(jù)碼元寬度的1至2倍并且與之同步的示波器。對(duì)于二進(jìn)制碼元,顯然1和0的差別越大,接收判決時(shí)錯(cuò)判的可能性就越小。由于傳輸過程中的頻帶限制,噪聲的疊加使得1和0的差別變小。在接收機(jī)的判決點(diǎn),將“1”和“0”的差別用眼圖上“眼睛”張開的大小來表示,十分形象、直觀和實(shí)用。MATLAB工具箱中有顯示星座圖和眼圖的儀器,下面通過具體的例子說明它們的應(yīng)用。 1.基帶信號(hào)的眼圖 程序3-1描述一個(gè)二進(jìn)制隨機(jī)方波序列,通過升余弦濾波器濾波后,方波的高頻成分濾掉后繪出的眼圖。圖3-36所示是由程序中的“plot”和“eyescat”指令繪出的時(shí)域波形圖(左圖)和眼圖(右圖)。圖3-36程序3-1作圖顯示的通過升余弦濾波器濾波后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流時(shí)域波形圖(左圖)和眼圖(右圖) 圖3-37中的左圖是與程序3-1配套的仿真框圖。在程序中形成在Workspace(工作空間)中的數(shù)據(jù)變量D。通過指令sim(′eye′)將工作空間的數(shù)據(jù)D饋送到眼圖儀EyeDiagram,得到眼圖儀顯示的眼圖(右圖)。圖3-37顯示眼圖的仿真框圖(左圖)和眼圖儀繪出的眼圖(右圖)

程序3-1

x=randint(3000,1,2);%產(chǎn)生3000行1列的二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)

x y=[[0];rcosflt(x,1,10)];%X通過一個(gè)升余弦濾波器得到y(tǒng)

Fd=1/2;Fs=10;offset=0;%設(shè)定采樣頻率、偏置等參數(shù)

figure(1) t=1:30061; plot(t,y);axis([1,300,-.5,1.5]);%繪出y的時(shí)域圖形

grid

figure(2)

eyescat(y,Fd,Fs,offset)%繪出y的眼圖

t1=t′; D=[t1y]; %把y與時(shí)間變量t1組成文件變量D、在工作空間

Workspace的數(shù)據(jù)(30061行2列)

sim(′eyeE′)%啟動(dòng)仿真系統(tǒng)′eyeE′ 打開眼圖儀的對(duì)話框可以發(fā)現(xiàn)有四種激活Show(顯示)的選項(xiàng),下面是激活每種選項(xiàng)能夠進(jìn)行設(shè)置的參數(shù)的介紹: (1)激活ShowPlottingProperties(繪圖特性)時(shí),可設(shè)置:

Samplepersymbol(每個(gè)符號(hào)抽樣數(shù)):繪制眼圖時(shí)每個(gè)符號(hào)抽樣數(shù),因?yàn)檠蹐D的繪制需要接收信號(hào)的波形信息。數(shù)量太小,繪出的眼圖不符合實(shí)際情況。

Offset(samples)(抽樣時(shí)延):調(diào)節(jié)眼圖在顯示窗中的左右位移。

Symbolpertrace(每跡符號(hào)數(shù)):調(diào)節(jié)在顯示窗中有幾只“眼”。

Tracesdisplayed(顯示軌跡數(shù)):顯示在顯示窗內(nèi)的接收信號(hào)的軌跡數(shù)。

Newtracesperdisplay(每次新顯示的軌跡數(shù)):顯示在顯示窗內(nèi)的接收信號(hào)有多少個(gè)最新的軌跡。 (2)激活ShowRenderingProperties(表示特性)時(shí),可設(shè)置:

Markers(標(biāo)記):在采樣點(diǎn)上作標(biāo)記“*”、“.”、“o”、“+”等。

Linestyle(線型):“-”、“:”、“-.”、“--”等。

Linecolor(線條顏色):“k”黑、“r”紅、“b”藍(lán)、“m”洋紅等。

Duplicatepointsattraceboundary(軌跡邊界上的重復(fù)點(diǎn)是否顯示)。

Highqualityrendering(高質(zhì)量繪圖):激活該選項(xiàng)啟動(dòng)高質(zhì)量繪圖方式。

Showgrid(顯示坐標(biāo)網(wǎng)格):激活該選項(xiàng)顯示坐標(biāo)網(wǎng)格。

(3)激活ShowAxisProperties(坐標(biāo)軸特性)時(shí),可設(shè)置:

Yaxisminimummaximum(縱坐標(biāo)范圍):設(shè)置顯示窗的縱坐標(biāo)范圍。

InphaseYaxislabel(顯示同相支路標(biāo)記):當(dāng)眼圖儀顯示同相支路時(shí),該欄寫入縱坐標(biāo)的標(biāo)記。

QuadratureYaxislabel(顯示正交支路標(biāo)記):當(dāng)眼圖儀顯示正交支路時(shí),該欄寫入縱坐標(biāo)的標(biāo)記。 (4)激活ShowFigureProperties(圖形特性)時(shí),可設(shè)置:

Openscopeatstartofsimulation(仿真開始時(shí)打開眼圖): 若未激活該項(xiàng),需雙擊圖標(biāo)方顯示眼圖。

Eyediagramtodisplay(眼圖顯示的支路):同相或者正交或者都顯示。

Tracenumber(顯示軌跡的編號(hào)):在顯示窗下角顯示跡號(hào)。

Scopeposition(眼圖的位置):設(shè)置眼圖儀顯示窗在計(jì)算機(jī)屏幕中的位置。

Title(標(biāo)題):寫入眼圖儀顯示窗上方顯示的標(biāo)題。 表3-32給出了EyeDiagram(眼圖儀)的主要參數(shù)。表3-32EyeDiagram(眼圖儀)的主要參數(shù) 2.基帶調(diào)制信號(hào)的眼圖 圖3-38所示是Toolbox\Commblks\Commblksdemos例子中的部分內(nèi)容,展示了四進(jìn)制隨機(jī)數(shù)據(jù)通過基帶QPSK調(diào)制、升余弦濾波(插補(bǔ))及加性高斯白噪聲傳輸環(huán)境后信號(hào)的眼圖。 圖3-39顯示的兩幅圖,上圖是I(同相)信號(hào),下圖是Q(正交)信號(hào)。圖3-38通過QPSK基帶調(diào)制升余弦濾波及噪聲環(huán)境后觀察眼圖的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)圖3-39通過QPSK基帶調(diào)制及噪聲傳輸環(huán)境后觀察到的眼圖 表3-33~表3-37所示是圖3-38中各個(gè)模塊的主要參數(shù)。表3-33RandomInteger(隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器)的主要參數(shù)表3-34QPSKModulatorBaseband(基帶QPSK調(diào)制器)的主要參數(shù)表3-35FIRInterpolation(FIR插補(bǔ)器)的主要參數(shù)表3-36AWGN(加性高斯白噪聲信道)的主要參數(shù) 3.5.2星座圖 星座圖可以在信號(hào)空間展示信號(hào)所處的位置,為系統(tǒng)的傳輸特性分析提供了直觀的、具體的顯示結(jié)果。 為了使系統(tǒng)的功率利用率、頻帶利用率得到充分的利用,在特定的調(diào)制方式下,在信號(hào)空間中信號(hào)如何排列與分布?在傳輸過程中疊加上噪聲以后,信號(hào)之間的最小距離是否能保證既定的誤碼率的要求?這些問題的研究用星座圖儀十分直觀方便。在第5章的多元調(diào)制部分,還要用到星座圖。多元調(diào)制都可以分解為Inphase(同相)分量及Quadrature(正交)分量。將同相分量用我們習(xí)慣的二維空間的X軸表示,正交分量用Y軸表示。信號(hào)在X-Y平面(同相—正交平面)的位置就是星座圖。

MATLAB通信系統(tǒng)的工具箱里有著使用方便、界面美觀的星座圖儀。圖3-40所示是一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)通過基帶QAM調(diào)制及噪聲傳輸環(huán)境后,觀察星座圖的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的信宿就是一個(gè)離散時(shí)間星座圖儀。圖3-40隨機(jī)數(shù)據(jù)通過基帶QAM調(diào)制及噪聲傳輸環(huán)境后觀察星座圖的仿真試驗(yàn)系統(tǒng) 星座圖儀的對(duì)話框及其參數(shù)設(shè)置與離散時(shí)間眼圖儀十分相似。我們僅介紹與眼圖儀不同的部分: (1)激活ShowPlottingProperties(作圖特性)時(shí),設(shè)置:

Samplepersymbol(每個(gè)符號(hào)抽樣數(shù)):星座圖中取1即可(因?yàn)橐粋€(gè)符號(hào)用一點(diǎn)即可描述)。眼圖中需要若干點(diǎn)才能將信號(hào)在判決點(diǎn)前后的變化趨勢(shì)表示清楚。

Pointsdisplayed(顯示點(diǎn)數(shù)):為表現(xiàn)出變化的趨勢(shì)應(yīng)取較大的值。

Newtracesperdisplay(每次新顯示的軌跡數(shù)):除非是看動(dòng)態(tài)的變化,否則應(yīng)取較大的值。 (2)激活ShowAxisProperties(坐標(biāo)軸特性)時(shí),設(shè)置:

Pointnumber(顯示點(diǎn)數(shù)):顯示窗下角顯示點(diǎn)數(shù)。

X,Y-axisMinimumMaximum(顯示范圍):特別注意當(dāng)多元調(diào)制的元數(shù)較多時(shí),因?yàn)轱@示范圍不夠大,有的信號(hào)點(diǎn)會(huì)落到顯示屏以外。 圖3-41所示是隨機(jī)數(shù)據(jù)通過基帶QAM調(diào)制及噪聲傳輸環(huán)境后觀察到的星座圖。表3-38~表3-41所示是圖3-40中模塊的主要參數(shù)。圖3-41隨機(jī)數(shù)據(jù)通過基帶QAM調(diào)制及噪聲傳輸環(huán)境后觀察到的星座圖表3-38DiscreteTimeScatterDiagram(離散時(shí)間星座圖儀)的主要參數(shù)表3-39RectangularQAMModulatorBaseband(矩形分布基帶QAM調(diào)制)的主要參數(shù)表3-40RandomInteger(隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器)的主要參數(shù)表3-41AWGN

主要參數(shù) 3.5.3離散時(shí)間軌跡圖 離散時(shí)間軌跡圖與星座圖僅有一點(diǎn)差別,就是軌跡圖將星座圖的每個(gè)點(diǎn)按時(shí)間順序連接起來,展示了信號(hào)在星座圖上變化的軌跡。圖3-42所示是顯示軌跡圖的仿真模型,一個(gè)與星座圖仿真系統(tǒng)基本相同的系統(tǒng),只是信宿換成了信號(hào)軌跡圖儀。圖3-42顯示軌跡圖的仿真模型 離散時(shí)間軌跡圖儀的對(duì)話框及其參數(shù)設(shè)置與離散時(shí)間星座圖儀十分相似,參數(shù)設(shè)置可以參考星座圖儀。 圖3-43所示是軌跡圖顯示的圖形。表3-42所示是DiscreteTimeSignalTrajectoryScope(離散時(shí)間軌跡圖儀)的主要參數(shù)。圖3-43軌跡圖顯示的圖形表3-42DiscreteTimeSignalTrajectoryScope(離散時(shí)間軌跡圖儀)的主要參數(shù) 3.5.4矩陣顯示圖 圖3-44所示是矩陣顯示圖的仿真模型。它可以用不同顏色的網(wǎng)格,以一目了然的可視化的方式表達(dá)二維矩陣。在通信、圖像處理等領(lǐng)域有較多的應(yīng)用。圖中的常數(shù)Constant的設(shè)置是 [1:5;2:6;3:7;4:8;5:9],即 12345 23456 34567 45678 56789圖3-44矩陣顯示圖的仿真模型 圖3-45所示是矩陣顯示圖儀顯示的圖形。表3-43所示是MatrixViewer(矩陣顯示圖儀)主要參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置規(guī)定了Colormapmatrix(顯示圖的顏色)及MaximumMinimuminputvalue(矩陣元素的幅度范圍),并且決定了是否設(shè)置一個(gè)Displaycolorbar(顏色的圖例),是否AxisZoom(擴(kuò)大顯示窗)。圖3-45矩陣顯示圖儀顯示的圖形表3-43MatrixViewer(矩陣顯示圖儀)的主要參數(shù) 3.5.5瀑布顯示圖 圖3-46所示是WaterfallScope(瀑布顯示圖)的仿真模型,它用三維的瀑布圖方式,顯示需要表達(dá)的三維函數(shù)。在先進(jìn)的通信測(cè)量?jī)x器中已經(jīng)具有顯示瀑布圖的功能。本例中觀察掃頻信號(hào)源的頻譜是時(shí)間的函數(shù),時(shí)頻圖的表達(dá)可以用瀑布圖顯示。 圖3-47、圖3-48、圖3-49所示分別是WaterfallScope參數(shù)設(shè)置的對(duì)話框在激活了不同顯示功能后的形式。圖3-46應(yīng)用WaterfallScope觀察掃頻儀輸出圖3-47WaterfallScope參數(shù)設(shè)置1圖3-48WaterfallScope參數(shù)設(shè)置2(激活A(yù)xes坐標(biāo)軸功能)圖3-49WaterfallScope參數(shù)設(shè)置3(激活Display顯示功能)

圖3-47所示是激活Transforms(傳輸特性)時(shí)的情況,可以設(shè)定為None(不運(yùn)算);

Amplitude-〉dB(對(duì)數(shù)幅度);Complex-〉Maglin(復(fù)線性

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