实验十一 信道均衡器

本科学生设计性实验报告

学号 姓名

学院 物电学院 专业、班级 实验课程名称 现代通讯原理实验及仿真 教师及职称 开课学期 2013 至 2014 学年 下 学期

填报时间 2014 年 06 月 04 日

云南师范大学教务处编印

一、实验设计方案 实验序号 实验时间 2014.05.27 1．实验目的 11 实验室 实验名称 信道均衡器 同析3栋小组成员 李明旭 111 1.1 认识Matlab/Simulink的基本功能。 1.2 了解Simulink的基本图符库，并能做出信道均衡器仿真。 1.3 掌握数字基带传输系统的具体结构，均衡器的作用。 2．实验原理、实验流程或装置示意图 2.1 升余弦滚降信号 升余弦滚降信号满足奈奎斯特抽样值无失真准则，而且物理可实现好。升余弦滚降信号的频谱的表达式为 0,Y(f)S0T,S0TT11sinf,22T2T1a0f2Tf1a1a2Tf1a2T 这里是滚降系数，01;S0 为归一化常数。升余弦滚降信号具有如下的时域表达形式： YtS02tcossin TTt42t21TT （1） 由上述时域表达式可知，升余弦滚降信号在除0之外的整数倍T时刻的采样值为0，因而满足乃奎斯特抽样值无失真传输条件，即采用升余弦滚降信号作为码元波形，按码元周期T进行抽样时，不会形成码间串扰。码元波形成形的方法是用升余弦滚降滤波器对码元冲激序列进行滤波，升余弦滚降滤波器的冲激响应即Y（t）。这样每个码元转换为一个相似于Y（t）的波形，波形的幅度和正负极性取决于脉冲的幅度和正负极性。 在实际通信系统中，接收滤波器HR(f)通常是发送滤波器HT(f)的匹配滤波(f)HT(f)HR器，即=。为了保证接收端的抽样值无失真，需要使发送滤波器和接收滤波器级联的效果等效于升余弦滚降滤波器，即 2Y(f)HT(f)HR(f)HT(f) （2） 符合上述条件的HT(f)称为平方根升余弦滚降滤波器，通常情况下HT(f)采用有限冲激响应（FIR）滤波器的形式实现，这种情况下HR(f)=HT(f)，发送滤波器和接收滤波器为相同的平方根升余弦滚降滤波器。 本实验在离散时间域进行，采样周期TsT4。平方根余弦滚降滤波器采用FIR滤波器的形式实现。FIR滤波器要求滤波器的冲激响应是有限长度的，冲激响应的离散时间长度即滤波器的阶数。在本实验中采用了滚降系数为1的32阶平方根升余弦滚降滤波器，即滤波器的冲激响应的时间长度为32T，相当于8个码元周期。滤波器的系数通过Simulink模块计算得到。 2.2 串扰信道 该信道的冲激响应是 xn0.0,0.24,0.85,0.25,0.10,n2,1,0,1,2 在整个仿真时间段内，假设该信道不随时间而变化。 2.3 均衡器设计 多径传输和信道失真可能引起严重的码间串扰，采用适当有效的均衡技术，可以提高数据传输速率、误码率性能和频带利用率。本实验仿真的是横向滤波器形式的时域信道均衡器，如图1所示，它由带有抽头的延迟线、加权系数相乘器及相加器组成。 输入 x(t) x(t-nT) T … T T … T C-N C-1 C0 + C1 CN 输出 nyncnxnNnN 图1 横向滤波器（信道均衡器） 本实验设计和仿真一个3阶的均衡器，均衡器的系数用矢量C=[C-1 C0 C1]T表示。依据迫零准则，根据信道的冲激响应计算均衡器的系数。迫零准则要求，当均衡器输入序列xn(信道冲激响应序列)，其输出yn=[0 1 0],即 y1C10yZC100 0y1C1 （3） 式中 x0Zx1x2x1x0x1x20.850.25x1x00.10.240.850.25100.24（4） 0.85容易计算得到 C1y10.85CZ1y0.25000.1C1y10.240.850.2500.240.8500.282611.009(5) 00.3276综上所述，本实验进行如图2所示的仿真。在发送端，将输入码元序列输入到升余弦滚降滤波器，得到数字基带信号，经过串扰信道，在接收端通过均衡器，去除串扰，得到输出码元序列。升余弦滚降滤波器是按照采样周期T/4（T为码元周期）设计的，所以输入码元序列在进行升余弦滚降滤波前还要先进行4倍上采样，将采样周期提高到T/4，同样在均衡器之后，输出码元序列之前，还要进行4倍下采样，将采样周期恢复为T。 发送端 平方根 升余弦 滚降滤波器 平方根 升余弦 滚降滤波器 接收端 输入码元序列 串扰信道 均衡器 输出码元序列 图2 数字基带传输系统简化框图 2.4 实验方案设计 本实验对应的仿真文件是equalizer.mdl，打开equalizer.mdl可以得到如图3所示的仿真模型架构。该模型主要分为三个主要部分，分别是发送端、信道和接收端。 图3 仿真系统框图 （1）基带数字传输发送端 发送端由图4中的3个模块构成，其中数据发生器模块的细节如图5所示。发送端由一个伯努利二进制序列发生器产生随机的{0,1}二进制序列，然后将该序列转换为二电平码元序列；码元序列的采样周期是1ms，经过4倍增采样，采样周期成为0.25ms(采样频率为4kHz);然后送到平方根升余弦滚降滤波器，得到发送的基带数字信号，该信号中每个码元的波形都是平方根升余弦滚降信号；上采样前的4倍增益保证在上采样和滤波后信号的幅度保持在1附近。 内部模型图 （2）串扰信道 图4 基带数字传输发送端 图5 数据发生器Source Data串扰信道的结构如图6所示，是典型的FIR滤波器结构，其冲激响应在1ms采样周期下是xn{0.0,0.24,0.85,0.25,0.10}。 图6 串扰信道模型 （3）基带数字传输接收端 基带数字传输接收端的结构如图7所示。接收到的数字基带信号首先通过匹配滤波器， 匹配滤波器和发送端的平方根升余弦滚降滤波器完全相同，匹配滤波器和发送端滤波器共同构成一个升余弦滚降滤波器，使基带码元传输满足奈奎斯特抽样值无失真条件。匹配滤波器的输出送入均衡器，均衡器的细节结构如图8所示，其结构是典型的FIR滤波器结构，其冲激响应在1ms采样周期下是Cn{0.2826,1.009,0.3276}。均衡之后的数字基带信号要经过下采样，恢复采样周期为T，获取发送的码元。下采样中的一个关键参数是采样偏移（sample offset），采样偏移是由之前所有处理模块的时间延迟所决定的，在实际通信系统中需要通过尝试有限的几种可能性，可以确定当采样偏移是0时可以抽样到最佳的码元电平值。 图7基带数字传输接收端 图8 信道均衡器模型结构 3．实验设备及材料 装有matlab软件的电脑一台。 4．实验方法步骤及注意事项 4.1 打开matlab应用软件，如图9所示。 4.2 在图（4）中右边的命令窗(Command Window)的光标处输入：simulink，回车。 图9 Matlab界面 4.3 在图9中，选择：File>New>Model新建文件，保存在matlab工作目录下，并取名为equalizer.mdl。 4.4 在Find命令行处输入：Bernouli Binary Generator，就在窗口的右边找到了该仿真模块图标。用鼠标右键选择该模块，将其添加到创建的equalizer窗口中。 4.5 用相同的方法创建“眼图”（Eye Diagram Scope）,观察每个设备的连接点，用鼠标左键把设备连接起来，如图3所示。 4.6 进行相关参数设置：双击滤波器模块，即可打开参数设置对话框，如图10所示。该模块以FIR方式实现了滚降系数为1的32阶平方根升余弦滚降滤波器。要注意的是滤波器的频率指标的设计，参数Fs代表通过该滤波器的离散序列的采样频率，即本仿真的系统采样频率4kHz;而参数Fc为滤波器的截止频率，对于升余弦滚降滤波器和平方根升余弦滚降滤波器，截止频率即奈奎斯特带宽1/2T，所以Fc=500Hz。如图10设置好参数后用鼠标点击”Design Filer”就完成了滤波器设计，滤波器的频率响应显示在图10的上部。如果想看滤波器的系数，可用鼠标点击图10中的滤波器系数按钮查看。 图10 数字滤波器设计模块参数设置对话框 4.7 用鼠标点击“运行仿真模型按钮”即可运行equalizer.mdl,观察实验结果。 5．实验数据处理方法 图形法，效仿法，比较法 6．参考文献 [1]何文学，金争，景艳梅，毛慰民.现代通讯原理实验及仿真教程[M].2013.11 [2]樊昌信，曹丽娜.通讯原理[M].国防工业出版社.2012.12 教师对实验设计方案的意见 签名： 年 月 日 三．实验总结 1．本次实验成败及其原因分析 运行equalizer.mdl可以得到如下的仿真结果。 6.1均衡前后的眼图比较（如图11、图12） 从均衡前后的眼图比较可以看到，接收信号的眼图是杂乱的，这是因为信道的线性失真造成了码元之间的相互干扰，即码间串扰。通过均衡降低码间串扰，可以看到“眼睛”明显睁开了。码间串扰的降低使基带数字通信系统的噪声容限增加，减小了过零点失真、峰值失真和对定时误差的灵敏度。 图11 接收信号（均衡之前）的眼图 图12 经均衡之后信号的眼图 6.2 时域信号比较（如图13） 从均衡前后信号波形的比较可以看出均衡后的信号码元峰值失真更小，波形更加完整（高低电平的持续时间更长），更利于抽样判决。 图13 均衡前（上）和均衡后（下）信号波形比较 从发送码元序列与接收码元序列比较可以看出，下采样后的码元电平和发送码元电平相比很接近（图14）。因为本实验的均衡器不能完全消除的码间串扰，下采样后的码元电平上还叠加了小幅度的误差波形。 图14 接收码元序列（上）与发送码元序列（下）比较 2．本实验的关键环节及改进措施 数字基带传输系统包括发送端、串扰信道和接收端。在发送端，将输入码元序列输入到升余弦滚降滤波器，得到数字基带信号，经过串扰信道，在接收端通过均衡器，去除串扰，得到输出码元序列。 均衡器的作用主要是可以提高数据传输速率、误码率性能和频带利用率。 指导教师评语及评分： 签名： 年 月 日