現(xiàn)代通信實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五

四川大學(xué)電子信息專業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程 通信原理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)題目 信道模擬實(shí)驗(yàn) 學(xué)生姓名評(píng)分學(xué)號(hào)班級(jí)同實(shí)驗(yàn)者 實(shí)驗(yàn)時(shí)間地點(diǎn)電子信息學(xué)院專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過觀察噪聲對(duì)信道的影響，比較理想信道與隨機(jī)信道的區(qū)別，加深對(duì)隨機(jī)信道的理解。2通過比較編碼信號(hào)與未編碼信號(hào)在隨機(jī)信道中的傳輸，加深對(duì)糾錯(cuò)編碼原理的理解。3掌握眼圖波形與信號(hào)傳輸畸變的關(guān)系。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（含技術(shù)指標(biāo)）1將信號(hào)源輸出的NRZ碼（未編碼）輸入信道，調(diào)節(jié)噪聲功率大小，觀察信道輸出信號(hào)及其誤碼率。2將輸出的NRZ碼（未編碼）輸入信道模擬模塊，編碼后再輸入信道，并經(jīng)過編碼，觀察通過編解碼后信道的誤碼率，并與同等噪聲功率時(shí)未編碼信號(hào)的誤碼率進(jìn)行比較。3觀察眼圖并做分析、記錄。三、 實(shí)驗(yàn)儀器（儀器名稱、型號(hào)，元器件名稱、清單，軟件名稱、版本等）1信號(hào)源模塊。2信道模擬模塊。3終端模塊。4數(shù)字示波器一臺(tái)。5連接線若干四、 實(shí)驗(yàn)原理（基本原理，主要公式，參數(shù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)方法及框圖，相關(guān)電路等）（一）信道廣義信道按照它包含的功能，可以劃分為調(diào)制信道和編碼信道。所謂調(diào)制信道，是指調(diào)制輸出端到解調(diào)器輸入端的部分。從調(diào)制解調(diào)的的角度來(lái)看，調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的所有變換裝置及傳輸媒質(zhì)，不論其過程如何，只不過是對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行某種運(yùn)算，我們只需關(guān)心運(yùn)算的結(jié)果。而無(wú)需關(guān)心其詳細(xì)物理過程。因此，研究調(diào)制與解調(diào)時(shí)，采用這種定義是方便的。同理，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，如果我們僅著眼與討論編碼與譯碼，采用編碼信道的概念是十分有益的，所謂編碼信道，是指編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分，這樣定義是因?yàn)閺木幋a譯碼的角度來(lái)看，編碼器的輸出時(shí)某一數(shù)字序列，而譯碼器的輸入同樣也是某一數(shù)字序列，他們可能是不同的數(shù)字序列。因此，從編碼器輸出端到譯碼器輸入端，可以用一個(gè)對(duì)數(shù)字序列進(jìn)行變換的方框來(lái)加以概括。我們這里主要用的是編碼信道，接下來(lái)介紹一下編碼信道模型。編碼信道對(duì)信號(hào)的影響是一種數(shù)字序列的變換，即把一種數(shù)字序列變成另一種數(shù)字序列。因此，有時(shí)把編碼信道看成是一種數(shù)字信道。編碼信道模型可以用數(shù)字的轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述。例如，最常見的二進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)單的編碼信道模型如圖5-1所示。這個(gè)模型之所以是“簡(jiǎn)單的”，因?yàn)檫@里假設(shè)解調(diào)器每個(gè)輸出碼元的差錯(cuò)發(fā)生是相互獨(dú)立的?；蛘哒f，這種信道是無(wú)記憶的，即一碼元的差錯(cuò)與其前后碼元是否發(fā)生差錯(cuò)無(wú)關(guān)。在這個(gè)模型里，P（0/0）、P（1/0）、P（0/1）及P（1/1）稱為信道轉(zhuǎn)移概率，其中，P（0/0）與P（1/1）是正確轉(zhuǎn)移的概率，而P（1/0）與P（0/1）是錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移的概率。P(0/0)P(1/1)圖5-1二進(jìn)制編碼信道模型根據(jù)概率的性質(zhì)可知P（0/0）=1-P（1/0）P（1/1）=1-P（0/1）轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道的特性所決定。一個(gè)特定的編碼信道，有確定的轉(zhuǎn)移概率，但應(yīng)該指出，轉(zhuǎn)移概率一般需要對(duì)實(shí)際編碼信道做大量的統(tǒng)計(jì)分析才能得到。如果我們對(duì)一正態(tài)分布白噪聲取樣，若取樣值為正，記為“+”；若取樣值為負(fù)，記為“-”，則將每次取樣所得極性排成序列，可以寫成…+——++ 1++…這是一個(gè)隨機(jī)序列，它具有如下基本性質(zhì)：列中“+”和“-”的出現(xiàn)概率相等。序列中長(zhǎng)度為1的游程約占1/2；長(zhǎng)度為2的游程約占1/4；長(zhǎng)度為3的游程約占1/8；…。一般說來(lái)，長(zhǎng)度為k的游程約占1/2k。而且在長(zhǎng)度為k的游程中，“+”游程和“-”游程約各占一半。由于白噪聲的功率譜為常數(shù)，功率譜的逆傅里葉變換，即自相關(guān)函數(shù)為一沖激函數(shù)8（T）。當(dāng)T尹0時(shí)，8（T）=0；僅當(dāng)T=0時(shí)，8（T）是個(gè)面積為1的脈沖。（二）信道噪聲非理想信道中必然存在噪聲，而其中又以高斯白噪聲最為普遍。在本實(shí)驗(yàn)中我們用偽隨機(jī)序列模擬高斯白噪聲。偽隨機(jī)噪聲具有類似于隨機(jī)噪聲的一些統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)又便于重復(fù)產(chǎn)生和處理。由于它具有隨機(jī)噪聲的優(yōu)點(diǎn)，又避免了它的缺點(diǎn)，因此獲得了日益廣泛的實(shí)際應(yīng)用。目前廣泛應(yīng)用的偽隨機(jī)噪聲都是由數(shù)字電路產(chǎn)生的周期序列（經(jīng)濾波等處理后）得到的。我們把這種周期序列稱為偽隨機(jī)序列。通常產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的電路為一反饋移存器，它又可分為線性反饋移存器和非線性反饋移存器兩類。由線性反饋移存器產(chǎn)生出的周期最長(zhǎng)的二進(jìn)制數(shù)字序列稱為最大長(zhǎng)度線性反饋移存器序列，通常簡(jiǎn)稱為m序列。由于m序列的均衡性、游程分布、自相關(guān)特性和功率譜與上述隨機(jī)序列的基本性質(zhì)很相似，所以通常認(rèn)為m序列屬于偽噪聲序列或偽隨機(jī)序列。m序列的功率譜密度的包絡(luò)是（sinx/x）2形的。設(shè)m序列的碼元寬度為T1秒，則大約在零到（1/T）x45%Hz的頻率范圍內(nèi)，可以認(rèn)為它具有均勻的功率譜密度。所以，可以用m序列1的這一部分頻譜作為噪聲產(chǎn)生器的噪聲輸出，雖然這種輸出是偽噪聲，但是對(duì)于多次進(jìn)行某一測(cè)量，都有較好的重復(fù)性。將m序列進(jìn)行濾波，就可取得上述功率譜均勻的部分作為輸出。（一）糾錯(cuò)編碼在隨機(jī)信道中，錯(cuò)碼的出現(xiàn)是隨機(jī)的，且錯(cuò)碼之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。例如，由高斯白噪聲引起的錯(cuò)碼就具有這種性質(zhì)。因此，當(dāng)信道中加性干擾主要是這種噪聲時(shí)，就稱這種信道為隨機(jī)信道。由于信息碼元序列是一種隨機(jī)序列，接收端是無(wú)法預(yù)知的，也無(wú)法識(shí)別其中有無(wú)錯(cuò)碼。為了解決這個(gè)問題，可以由發(fā)送端的信道編碼器在信息碼元序列中增加一些監(jiān)督碼元。這些監(jiān)督碼元和信碼之間有一定的關(guān)系，使接收端可以利用這種關(guān)系由信道譯碼器來(lái)發(fā)現(xiàn)或糾正可能存在的錯(cuò)碼。在信息碼元序列中加入監(jiān)督碼元就稱為差錯(cuò)控制編碼，有時(shí)也稱為糾錯(cuò)編碼。不同的編碼方法，有不同的檢錯(cuò)或糾錯(cuò)能力，有的編碼只能檢錯(cuò)，不能糾錯(cuò)。那么，為了糾正一位錯(cuò)碼，在分組碼中最少要增加多少監(jiān)督位才行呢？編碼效率能否提高呢？從這種思想出發(fā)進(jìn)行研究，便導(dǎo)致漢明碼的誕生。漢明碼是一種能夠糾正一位錯(cuò)碼且編碼效率較高的線性分組碼。下面我們介紹漢明碼的構(gòu)造原理。一般來(lái)說，若碼長(zhǎng)為n，信息位數(shù)為k，則監(jiān)督位數(shù)r=n-k。如果希望用r個(gè)監(jiān)督位構(gòu)造出r個(gè)監(jiān)督關(guān)系式來(lái)指示一位錯(cuò)碼的n種可能位置，則要求2r-1>n或2r>k+r+1 （5-1）下面我們通過一個(gè)例子來(lái)說明如何具體構(gòu)造這些監(jiān)督關(guān)系式。設(shè)分組碼（n,k）中k=4,為了糾正一位錯(cuò)碼，由式（5-1）可知，要求監(jiān)督位數(shù)r>3。若取r=3，則n=k+r=7。我們用aaaaaaa表示這7個(gè)碼元，用SSS表示三個(gè)監(jiān)督6 5 4 3 2 1 0 123關(guān)系式中的校正值，則SSS的值與錯(cuò)碼位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以規(guī)定如表5-1所示。123SSS錯(cuò)碼位置SSS錯(cuò)碼位置001a101a010a110a100a111a&011a000無(wú)錯(cuò)TOC\o"1-5"\h\z由表中規(guī)定可見，僅當(dāng)一錯(cuò)碼位置在a、a、a或a時(shí)，校正值S為1,否則S為2 4 5 6 1 10。這就意味著a2、a「a『口a6四個(gè)碼元構(gòu)成偶數(shù)監(jiān)督關(guān)系S=a6十a(chǎn)十a(chǎn)十a(chǎn) （5-2）同理，a、a、a和a.構(gòu)成偶數(shù)監(jiān)督關(guān)系S=a6十a(chǎn)十a(chǎn)十a(chǎn) （5-3）以及a、a、a和a.構(gòu)成偶數(shù)監(jiān)督關(guān)系S=a十a(chǎn)十a(chǎn)十a(chǎn) （5-4）在發(fā)送端編碼時(shí)，信息位a6、a5、a4和a3的值決定于輸入信號(hào)，因此它們是隨機(jī)的。監(jiān)督位a2、aj"a0應(yīng)根據(jù)信息位的聚會(huì)按監(jiān)督關(guān)系來(lái)確定，即監(jiān)督位應(yīng)使上三式中S、S和S的值為零（表示變成的碼組中應(yīng)無(wú)錯(cuò)碼）1 2 3a?a ?a ?a =0'a?a ?a ?a =0> （5-5）a6?a ?a ?a =0由止式經(jīng)移項(xiàng)運(yùn)算，解出監(jiān)督位為a =a ?a ?a ?a =a ?a ?a ?a =a ?a ?a ?- (5-6)0 6 4 3 7給定信息位后，可直接按上式算出監(jiān)督位，其結(jié)果如表5-2所示。表5-2信息位與監(jiān)督位對(duì)應(yīng)表信息位監(jiān)督位信息位監(jiān)督位aaaaaaaaaaaaaa0000000100011100010111001100001010110100100011110101100101001101100001010110111010100110011111010001110001111111接收端收到每個(gè)碼組后，先按式（5-2）?（5-4）計(jì)算出S、S和S，再按表5-2判斷1 2 3錯(cuò)碼情況。例如，若接收碼組為0000011，按式（5-2）和（5-3）計(jì)算可得S】=0,S2=1,S3=1。由于SSS等于011,幫根據(jù)表5-1可知在a位一錯(cuò)碼。123 3按上述方法構(gòu)造的碼稱為漢明碼。表5-2中所列的（7,4）漢明碼的最小碼距d。=3,因此，這種碼能糾正一個(gè)錯(cuò)碼或檢測(cè)兩個(gè)錯(cuò)碼。（四）傳輸畸變和眼圖一個(gè)實(shí)際的基帶傳輸系統(tǒng)，盡管經(jīng)過了精心的設(shè)計(jì)，但要使其傳輸特性完全符合理想情況是伯，甚至是不可能的。因此，碼間干擾也就不可能避免。由前面的討論可知，碼間干擾問題與發(fā)送濾波器特性、信道特性、接收濾波器特性等因素有關(guān)，因而計(jì)算由于這些因素所引起的誤碼率就非常困難，尤其在信道特性不能完全確知的情況下，甚至得不到一種合適的定量分析方法。眼圖就是一種能夠方便地估計(jì)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)手段。這種方法的具體做法是：用一個(gè)示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調(diào)整示波器水平掃描周期，使其與接收碼元的周期同步。這時(shí)就可以從示波器顯示的圖形上觀察出碼間干擾和噪聲的影響，從而估計(jì)出系統(tǒng)性能的優(yōu)劣程度。所謂眼圖，是指示波器顯示的圖形，因?yàn)樵趥鬏敹M(jìn)制信號(hào)波形時(shí)，它很像人的眼睛。為了說明眼圖和系統(tǒng)性能之間的關(guān)系，我們把眼圖簡(jiǎn)化為一個(gè)模型，如圖5-2所示。該圖表述了下列意思：①最佳抽樣時(shí)刻應(yīng)是“眼睛”張開最大的時(shí)刻；②對(duì)定時(shí)誤差的靈敏度可由眼圖的斜邊之斜率決定，斜率越陡，對(duì)定時(shí)誤差就越靈敏；③圖中的陰影區(qū)的垂直高度表示信號(hào)畸變范圍；④圖中央的橫軸位置對(duì)應(yīng)判決門限電平；⑤在抽樣時(shí)刻上，上下兩陰影區(qū)的間隔距離之半為噪聲的容限，即若噪聲瞬時(shí)值超過這個(gè)容限，就有可能發(fā)生錯(cuò)誤判決。對(duì)定時(shí)誤差的靈敏度圖5-2眼圖模型抽樣時(shí)刻最大信號(hào)畸變?cè)肼暼菹捱^零點(diǎn)畸變對(duì)定時(shí)誤差的靈敏度圖5-2眼圖模型抽樣時(shí)刻最大信號(hào)畸變?cè)肼暼菹捱^零點(diǎn)畸變最佳抽樣時(shí)刻門限電平（經(jīng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師簽字認(rèn)可的原始數(shù)據(jù)記錄紙或添加頁(yè)粘貼處）五、 實(shí)驗(yàn)步驟（實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵操作步驟，儀器、電路及器件選擇使用，原程序及關(guān)鍵指令注釋等）（一）信道模擬實(shí)驗(yàn)將信號(hào)源模塊、信道模擬模塊、終端模塊小心地固定在主機(jī)箱中，確保電源接觸良好。插上電源線，打開主機(jī)箱右側(cè)的交流開關(guān)，再分別按下兩個(gè)模塊中的開關(guān)POWER1、POWER2，對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管LED001、LED002、LEDC01、LEDC02、LED600發(fā)光，三個(gè)模塊均開始工作。將信號(hào)源模塊的撥碼開關(guān)SW101、SW102設(shè)置為0000010100000000，按實(shí)驗(yàn)一的介紹，此時(shí)分頻比千位、十位、個(gè)位均為0，百位為5,因此分頻比為500，此時(shí)位同步信號(hào)頻率應(yīng)為4KHz。相應(yīng)地，信道模擬模塊的碼速率選擇撥位開關(guān)設(shè)置為1000，與信號(hào)源的碼速率相一致（碼速率選擇撥位開關(guān)設(shè)置為1000對(duì)應(yīng)的碼速率為4KHz，0100對(duì)應(yīng)為8KHz，0010對(duì)應(yīng)為10KHz，0001對(duì)應(yīng)為15.625KHz）。將信號(hào)源的NRZ作為數(shù)據(jù)輸出，連接到終端的DATA1端，相應(yīng)的位同步信號(hào)（BS）與幀同步信號(hào)（FS）分別相連，同時(shí)將信號(hào)源的NRZ連接到信道模擬的信道輸入端，經(jīng)過信道后從信道輸出1端輸入到終端的DATA2端,BS2和FS2與信號(hào)源的位同步信號(hào)（BS）與幀同步信號(hào)（FS）分別相連。則終端的第一排二極管顯示的是直接從信號(hào)源輸出的數(shù)據(jù)，第二排二極管顯示的經(jīng)過信道傳輸后的數(shù)據(jù)。（也可用示波器雙蹤比較兩組數(shù)據(jù)）將信號(hào)源的SW103、SW104和SW105撥位，旋轉(zhuǎn)信道模擬模塊的噪聲功率調(diào)節(jié)電位器，改變信道內(nèi)噪聲功率大小，觀察噪聲對(duì)第二排二極管顯示數(shù)據(jù)的影響。同時(shí)用示波器觀察信道輸入與信道輸出1處的信號(hào)波形。（選做）將信道輸出1處的信號(hào)接入誤碼率測(cè)試儀，觀察噪聲對(duì)誤碼率的影響。將通過信道的信號(hào)從信道輸出端口輸出，其它連線方式同步驟4,觀察限帶信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。（二）差錯(cuò)控制編碼實(shí)驗(yàn)將信號(hào)源的NRZ作為數(shù)據(jù)輸出，連接到信道模擬的編碼輸入數(shù)據(jù)端，相應(yīng)的位同步信號(hào)（BS）與幀同步信號(hào)（FS）分別相連；同時(shí)將信道模擬的編碼輸出與解碼輸入的位同步信號(hào)與幀同步信號(hào)分別相連，編碼輸出的數(shù)據(jù)連入信道輸入，經(jīng)過信道后從信道輸出1端輸入到解碼輸入數(shù)據(jù)端；解碼輸出端的數(shù)據(jù)、位同步與幀同步分別與終端的DATA1、BS1和FS1相連，則終端的第一排二極管顯示的經(jīng)過編解碼及信道傳輸后的數(shù)據(jù)。（也可用示波器雙蹤比較兩組數(shù)據(jù)）信道模擬模塊的噪聲功率調(diào)節(jié)電位器固定在噪聲功率最小的位置處，用示波器觀察信道輸出1處的信號(hào)，觀察編碼后的信號(hào)是否符合表7-2的規(guī)則（注意：為將（7,4）漢明碼補(bǔ)足為8位碼，我們?cè)诿恳粋€(gè)（7,4）漢明碼前添加了一位零。因此，1000編碼將得到01000111）。任意將“誤碼”撥位開關(guān)的右七位中的一位撥為高