眼圖觀察測量實驗

./實驗12眼圖觀察測量實驗一、實驗?zāi)康?.學(xué)會觀察眼圖及其分析方法,調(diào)整傳輸濾波器特性。二、實驗儀器1.眼圖觀察電路〔底板右下側(cè)2．時鐘與基帶數(shù)據(jù)發(fā)生模塊,位號：G3．噪聲模塊,位號E4．100M雙蹤示波器1臺三、實驗原理在整個通信系統(tǒng)中,通常利用眼圖方法估計和改善〔通過調(diào)整傳輸系統(tǒng)性能。我們知道,在實際的通信系統(tǒng)中,數(shù)字信號經(jīng)過非理想的傳輸系統(tǒng)必定要產(chǎn)生畸變,也會引入噪聲和干擾,也就是說,總是在不同程度上存在碼間串擾。在碼間串擾和噪聲同時存在情況下,系統(tǒng)性能很難進行定量的分析,常常甚至得不到近似結(jié)果。為了便于評價實際系統(tǒng)的性能,常用觀察眼圖進行分析。眼圖可以直觀地估價系統(tǒng)的碼間干擾和噪聲的影響,是一種常用的測試手段。什么是眼圖?所謂"眼圖",就是由解調(diào)后經(jīng)過接收濾波器輸出的基帶信號,以碼元時鐘作為同步信號,基帶信號一個或少數(shù)碼元周期反復(fù)掃描在示波器屏幕上顯示的波形稱為眼圖。干擾和失真所產(chǎn)生的傳輸畸變,可以在眼圖上清楚地顯示出來。因為對于二進制信號波形,它很像人的眼睛故稱眼圖。在圖12-1中畫出兩個無噪聲的波形和相應(yīng)的"眼圖",一個無失真,另一個有失真<碼間串擾>。圖12-1中可以看出,眼圖是由虛線分段的接收碼元波形疊加組成的。眼圖中央的垂直線表示取樣時刻。當波形沒有失真時,眼圖是一只"完全開"的眼睛。在取樣時刻,所有可能的取樣值僅有兩個：+1或-1。當波形有失真時,"眼睛"部分閉合,取樣時刻信號取值就分布在小于+1或大于-1附近。這樣,保證正確判決所容許的噪聲電平就減小了。換言之,在隨機噪聲的功率給定時,將使誤碼率增加。"眼睛"開的大小就表明失真的嚴重程度。為便于說明眼圖和系統(tǒng)性能的關(guān)系,我們將它簡化成圖12-2的形狀。由此圖可以看出：<1>最佳取樣時刻應(yīng)選擇在眼睛開最大的時刻；<2>眼睛閉合的速率,即眼圖斜邊的斜率,表示系統(tǒng)對定時誤差靈敏的程度,斜邊愈陡,對定位誤差愈敏感；<3>在取樣時刻上,陰影區(qū)的垂直寬度表示最大信號失真量；<4>在取樣時刻上,上下兩陰影區(qū)的間隔垂直距離之半是最小噪聲容限,噪聲瞬時值超過它就有可能發(fā)生錯誤判決；<5>陰影區(qū)與橫軸相交的區(qū)間表示零點位置變動圍,它對于從信號平均零點位置提取定時信息的解調(diào)器有重要影響。實驗室理想狀態(tài)下的眼圖如圖12-3所示。衡量眼圖質(zhì)量的幾個重要參數(shù)有：眼圖開啟度<U-2ΔU>/U指在最佳抽樣點處眼圖幅度"開"的程度。無畸變眼圖的開啟度應(yīng)為100%。其中U=U++U-2．"眼皮"厚度2ΔU/U指在最佳抽樣點處眼圖幅度的閉合部分與最大幅度之比,無畸變眼圖的"眼皮"厚度應(yīng)等于0。交叉點發(fā)散度ΔT/T指眼圖過零點交叉線的發(fā)散程度,無畸變眼圖的交叉點發(fā)散度應(yīng)為0。正負極性不對稱度指在最佳抽樣點處眼圖正、負幅度的不對稱程度。無畸變眼圖的極性不對稱度應(yīng)為0。最后,還需要指出的是：由于噪聲瞬時電平的影響無法在眼圖中得到完整的反映,因此,即使在示波器上顯示的眼圖是開的,也不能完全保證判決全部正確。不過,原則上總是眼睛開得越大,誤判越小。在圖12-3中給出從示波器上觀察到的比較理想狀態(tài)下的眼圖照片。本實驗主要是完成PSK解調(diào)輸出基帶信號的眼圖觀測實驗。四、各測量點和可調(diào)元件作用底板右下側(cè)"眼圖觀察電路"W06：接收濾波器特性調(diào)整電位器。P16：眼圖觀察信號輸入點。P17：接收濾波器輸出升余弦波形測試點〔眼圖觀察測量點。五、實驗步驟1．插入有關(guān)實驗?zāi)K：在關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下,按照下表放置實驗?zāi)K：模塊名稱放置位號時鐘與基帶數(shù)據(jù)發(fā)生模塊G噪聲模塊E對應(yīng)位號可見底板右上角的"實驗?zāi)K位置分布表",注意模塊插頭與底板插座的防呆口一致。2．信號線連接使用專用導(dǎo)線按照下表進行信號線連接：源端目的端連線作用4P01〔G3P01〔E將待傳輸?shù)拇a元數(shù)據(jù)送入高斯白噪聲信道；3P02〔GP16〔底板將經(jīng)過加噪后的信號送入眼圖觀察電路；3．加電打開系統(tǒng)電源開關(guān),底板的電源指示燈正常顯示。若電源指示燈顯示不正常,請立即關(guān)閉電源,查找異常原因。4．實驗容設(shè)置撥碼器"4SW02"〔G設(shè)置為"00011",4P01產(chǎn)生32K的511位m序列；5．眼圖觀測〔1用示波器的一根探頭CH1放在"4P02"〔G上,另一根探頭CH2放在"P17"〔底板上,選擇示波器觸發(fā)方式為CH1?！?調(diào)整示波器的掃描旋紐,則可觀察到若干個并排的眼圖波形。眼圖上面的一根水平線由連1引起的持續(xù)正電平產(chǎn)生,下面一根水平線由連0碼引起的持續(xù)的負電平產(chǎn)生,中間部分過零點波形由1.0交替碼產(chǎn)生。無噪聲眼圖波形觀察調(diào)節(jié)3W01〔E電位器,將3TP01噪聲電平調(diào)為0,使傳輸信道無噪聲；〔2調(diào)整接收濾波器r<>H〔這里可視為整個信道傳輸濾波器<>H的特性,使之構(gòu)成一個等效的理想低通濾波器。觀看眼圖,調(diào)整電位器W06直到眼圖波形的過零點位置重合、線條細且清晰,此時的眼圖為無碼間串擾、無噪聲時的眼圖。在調(diào)整電位器W06過程中,可發(fā)現(xiàn)眼圖波形過零點線條有時彌散,此時的眼圖為有碼間串擾、無噪聲時的眼圖,并且線條越彌散,表示碼間串擾越大；在調(diào)整過程中,還可發(fā)現(xiàn)W06在多個不同位置,眼圖波形的過零點都重合,由于W06不同位置,對應(yīng)的不同特性,它正好驗證了無碼間串擾傳輸特性不是唯一的。<>H有噪聲時眼圖波形觀察調(diào)節(jié)3W01〔E,逐漸增加噪聲電平。在增大噪聲電平的過程中,注意觀察眼圖的形狀變化,分析噪聲電平對眼圖的影響,反過來通過不同狀態(tài)的眼圖,分析當前傳輸信道的噪聲。調(diào)整眼圖電路參數(shù)后眼圖觀察調(diào)節(jié)W06〔底板電位器,改變眼圖信道傳輸濾波器的帶寬,在調(diào)整過程中,分析信道帶寬對眼圖電路的影響,并結(jié)合眼圖理論分析帶寬、碼間串擾6.關(guān)機拆線實驗結(jié)束,關(guān)閉電源,拆除信號連線,并按要求放置好實驗?zāi)K。六、實驗報告要求1．分析電路的工作原理,敘述其工作過程。2．敘述眼圖的產(chǎn)生原理以及它的作用。答：實驗13數(shù)字頻率合成實驗一、實驗?zāi)康?．加深對基本鎖相環(huán)工作原理的理解；2．熟悉鎖相式數(shù)字頻率合成器的電路組成與工作原理。二、實驗儀器1．數(shù)字頻率合成模塊,位號：B2．時鐘與基帶數(shù)據(jù)發(fā)生模塊,位號：G3．100M雙蹤示波器1臺三、實驗原理1．鎖相環(huán)的構(gòu)成及工作原理〔1鎖相環(huán)的基本組成圖13-1是鎖相環(huán)的基本組成方框圖,它主要由鑒相器〔PD、環(huán)路濾波器〔LF和壓控振蕩器〔VCO組成。壓控振蕩器〔VCOVCO是本控制系統(tǒng)的控制對象,被控參數(shù)通常是其振蕩頻率,控制信號為加在VCO上的電壓。所謂壓控振蕩器就是振蕩頻率受輸入電壓控制的振蕩器。鑒相器〔PDPD是一個相位比較器,用來檢測輸出信號0V〔t與輸入信號iV〔t之間的相位差<t>,并把<t>轉(zhuǎn)化為電壓V<t>d輸出,V<t>d稱為誤差電壓,通常V<t>d作為一直流分量或一低頻交流量。環(huán)路濾波器〔LFLF作為一低通濾波電路,其作用是濾除因PD的非線性而在V<t>d中產(chǎn)生的無用組合頻率分量及干擾,產(chǎn)生一個只反映<t>大小的控制信號V<t>C。4046鎖相環(huán)芯片包含鑒相器〔相位比較器和壓控振蕩器兩部分,而環(huán)路濾波器由外接阻容元件構(gòu)成?！?鎖相環(huán)鎖相原理鎖相環(huán)是一種以消除頻率誤差為目的反饋控制電路,它的基本原理是利用相位誤差電壓去消除頻率誤差。按照反饋控制原理,如果由于某種原因使VCO的頻率發(fā)生變化使得與輸入頻率不相等,這必將使V<t>O與V<t>i的相位差<t>發(fā)生變化,該相位差經(jīng)過PD轉(zhuǎn)換成誤差電壓V<t>d。此誤差電壓經(jīng)過LF濾波后得到V<t>c,由V<t>c去改變VCO的振蕩頻率,使其趨近于輸入信號的頻率,最后達到相等。環(huán)路達到最后的這種狀態(tài)就稱為鎖定狀態(tài)。當然由于控制信號正比于相位差,即V<t>d正比于〔t,因此在鎖定狀態(tài),〔t不可能為零,換言之,在鎖定狀態(tài)V<t>O與V<t>i仍存在相位差。雖然有剩余相位誤差存大,但頻率誤差可以降低到零,因此環(huán)路鎖定時,壓控振蕩器輸出頻率OF與外加基準頻率〔輸入信號頻率iF相等,即壓控振蕩器的頻率被鎖定在外來參考頻率上。3．數(shù)字頻率合成器的基本工作原理頻率合成技術(shù)是現(xiàn)代通信對頻率源的頻率穩(wěn)定度與準確度,頻譜純度及頻帶利用率提出越來越高的要求的產(chǎn)物。它能夠利用一個高穩(wěn)標準頻率源〔如晶體振蕩器合成出大量具有同樣性能的離散頻率。直接式鎖相頻率合成器構(gòu)成如圖13-2所示。圖中fR為高穩(wěn)定的參考脈沖信號〔如晶體振蕩器輸出的信號,壓控振蕩器〔VCO輸出經(jīng)N次分頻后得到頻率為fN的脈沖信號。fR和fN在鑒相器〔PD進行比較,當環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時,則：數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成器原理圖如圖13-3,35U02〔4046鎖相環(huán)的功能框圖如圖13-4所示,35U02〔MC14522、35U03〔MS14522構(gòu)成二級可預(yù)置分頻器,35U02.35U03分別對應(yīng)著總分頻比N的十位、個位分頻器。模塊上的兩個4位紅色撥動開關(guān)35SW01.35SW02分別控制十位數(shù)、個位數(shù)的分頻比,它們以8421BCD碼形式輸入。撥動開關(guān)往上撥為"1",往下?lián)転?0"。使用時按所需分頻比N預(yù)置好35SW01.35SW02的輸入數(shù)據(jù),例如N=7時,35SW01置"0000",35W02置"0111"；N=17時,35SW01置"0001",35SW02置"0111"。但是應(yīng)當注意,當35SW02置"1111"時,個位分頻比N1=15,如果35SW01置"0001"時,此時的總分頻比為N=25。因此為了計算方便,建議個位分頻比的預(yù)置不要超過9。當程序分頻器的分頻比N置成1,也就是把35SW01置"0000",35SW02置成"0001"狀態(tài)。這時,該電路就是一個基本鎖相環(huán)電路。當二級程序分頻器的N值可由外部輸入進行編程控制時,該電路就是一個鎖相式數(shù)字頻率合成器電路。外引線排列管腳功能簡要介紹:第1引腳〔PDO3：相位比較器2輸出的相位差信號,為上升沿控制邏輯。第2引腳〔PDO1：相位比較器1輸出的相位差信號,它采用異或門結(jié)構(gòu),即鑒相特性為PDO1=PDI1PDI2第3引腳〔PDI2：相位比較器輸入信號,通常PD為來自VCO的參考信號。第4引腳〔VCOO：壓控振蕩器的輸出信號。第5引腳〔INH：控制信號輸入,若INH為低電平,則允許VCO工作和源極跟隨器輸出：若INH為高電平,則相反,電路將處于功耗狀態(tài)。第6引腳〔CI：與第7引腳之間接一電容,以控制VCO的振蕩頻率。第7引腳〔CI：與第6引腳之間接一電容,以控制VCO的振蕩頻率。第8引腳〔GND：接地。第9引腳〔VCOI：壓控振蕩器的輸入信號。第10引腳〔SFO：源極跟隨器輸出。第11引腳〔R1：外接電阻至地,分別控制VCO的最高和最低振蕩頻率。第12引腳〔R2：外接電阻至地,分別控制VCO的最高和最低振蕩頻率。第13引腳〔PDO2：相位比較器輸出的三態(tài)相位差信號,它采用PDI1.PDI2上升沿控制邏輯。第14引腳〔PDI1：相位比較器輸入信號,PDI1輸入允許將0.1V左右的小信號或方波信號在部放大并再經(jīng)過整形電路后,輸出至相位比較器。第15引腳〔VI：部獨立的齊納穩(wěn)壓二極管負極,其穩(wěn)壓值V≈5～8V,若與TTL電路匹配時,可以用來作為輔助電源用。第16引腳〔VDD：正電源,通常選+5V,或+10V,+15V。四、各測量點及可調(diào)元件的作用35SW01：分頻比的十位數(shù)設(shè)置開關(guān),以8421BCD碼形式輸入。35SW02：分頻比的個位數(shù)設(shè)置開關(guān),以8421BCD碼形式輸入。35P01：VCO輸入?yún)⒖夹盘栥T孔,即相位比較器輸入信號。35TP01：相位比較器輸入信號,通常PD為來自VCO的參考信號。35P02：VCO壓控振蕩器的輸出信號鉚孔。五、實驗容及步驟1．插入有關(guān)實驗?zāi)K在關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下,按照下表放置實驗?zāi)K：模塊名稱放置位號時鐘與基帶數(shù)據(jù)發(fā)生模塊G數(shù)字頻率合成模塊E對應(yīng)位號可見底板右上角的"實驗?zāi)K位置分布表",注意模塊插頭與底板插座的防呆口一致。2．信號線連接使用專用導(dǎo)線按照下表進行信號線連接：源端目的端連線作用P09〔底板35P01〔E將10K的基準時鐘信號送入數(shù)字頻率合成輸入端；加電打開系統(tǒng)電源開關(guān),底板的電源指示燈正常顯示。若電源指示燈顯示不正常,請立即關(guān)閉電源,查找異常原因。實驗容設(shè)置使DDS信號源工作在"抽樣"功能,即"D04D03D02D01"=0001,DDS信號源的抽樣脈沖輸出端〔P09默認輸出10K的脈沖信號,占空比為50%。5．鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)測量〔1設(shè)35SW01=0000、35SW02=0001,35SW01.35SW02分別對應(yīng)著總頻比N的十位、個位分頻器,則程序分頻器的分頻比N＝1,。雙蹤示波器探頭分別接至35P01.35P02,觀測兩點波形,兩信號相位和頻率完全一致則說明鎖相環(huán)頻率鎖定；6．相位抖動〔相位噪聲特性測量〔1調(diào)整示波器掃描寬度,使示波器寬度大約容納1.5個基準頻率〔25P01波形,觀察頻率鎖定時兩信號上升沿是否對齊。仔細觀察會發(fā)現(xiàn),鎖定后的信號〔25P02上升沿有抖動,測量其抖動時間長度,并記錄?！?計算上升沿抖動與基準頻率一個時鐘周期的比值,該值的一半即為鎖相環(huán)的時鐘抖動。7．調(diào)整信號脈沖觀測〔1用示波器分別觀測35P01和35TP01,其中35TP01為鎖相環(huán)的調(diào)整信號脈沖。〔2調(diào)整35SW01.35SW02的值觀察35TP01的變化。用示波器分別觀測35TP01和35P02,分析兩個測量點之間的關(guān)系。8．捕捉帶測量〔1用示波器分別測量35P01.35P02；〔2逐漸增大35SW01.35