基带传输常用码型及基带信号频谱实验

基带传输常用码型及基带信号频谱实验

一、实验目的

1、熟悉通信基带信号功率谱基本原理

2、熟悉SYSTEMVIEW软件的信号谱分析应用

3、掌握使用SYSTEMVIEW软件生成最常用基带信号与数字双相传输码的基本方法

二、实验原理：

1、数字基带信号的频谱特性

数字基带信号是随机的脉冲序列，只能用功率谱来描述它的频谱特性。研究好数字基带信号的功率谱，就可以了解信号带宽，有无直流分量，有无定时分量。这样才能选择匹配的信道，确定是否可提取定时信号。 经过合理假设下的严格数学推导，可以得到以下主要结论： （1）随机脉冲序列功率谱包括连续谱和离散谱；

（2）单极性信号中有无离散谱取决于矩形脉冲的占空比，归零信号中有定时分量。不归零信号中无定时分量。0、1等概的双极性信号没有离散谱，即同时没有直流分量和定时分量。

（3）随机序列的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)或G2(f)，通常以谱的第一个零点作为矩形脉冲的近似带宽，它等于脉宽τ的倒数。

2、传输系统发射与信道部分的基本结构如图2—1所示。如果系统直接传送基带信号，称之为基带传输系统。

图 2—1

在基带传输系统中，系统的输入是数字基带信号，它不一定适合直接在信道中传输。信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的， 其目的是与信道匹配， 便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。称此信号形成器为数字基带调制器；与此对应的，在接收端将信道基带信号变换成原始数字基带信号，称之为基带解调器。

3、数字基带调制器中的波形变换与码型变换

在数字基带调制器中，波形变换后传输电波形常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲波形等。最常用的是矩形脉冲波形，正如我们在前面通原

软件实验一中介绍的几种波形。上述 各种波形在传输中都得到了实际应用。

在数字基带调制器中，码形变换后的传输码结构应具有下列主要特性： ? 无直流分量， 且低频分量少； ? 便于提取定时信息；

? 高频分量尽量少， 以节省传输频带并减少码间串扰； ? 不受信息源统计特性的影响， 即能适应于信息源的变化； ? 具有内在的检错能力；

? 编译码设备要尽可能简单，等等。 理论书籍中经常介绍的传输码型有：AMI码——传号交替反转码、HDB3码——3阶高密度双极性码、PST码——成对选择三进码、数字双相码(曼彻斯特码)、密勒(Miller)码（延迟调制码）、CMI码、 mBnB码等。

实际中的常见传输码型有：HDB3码、数字双相码(曼彻斯特码)、CMI码、mBnB码等。

本实验中重点介绍数字双相码(曼彻斯特码)。该码的编码规则为：0码用01两位码表示，1码用10两位码表示。曼彻斯特码的一个例子见图2—2：

图 2—2

该码主要特点为：

? 每个码元周期的中心点都存在电平跳变，所以富含位定时信息。

? 正、负电平各半，无直流分量， 编码过程也简单。 但带宽比原信码大1倍

? 在接收识别时需要提供“分组”信息，即需要建立帧同步。 应用：在以太网中经常使用曼彻斯特码作为传输码。

4、数字基带信号

在数字基带传输系统中，系统的输入是由终端设备或编码器产生的数字基带信号。要对数字基带传输系统进行功能与性能测试，就必须产生相应的数字基带信号。

4.1 伪随机序列

产生怎样的数字基带信号才能得到更好的测试结果呢？研究表明，当输入信号具有普遍随机性时，测试结果是令人信服的，此时的序列也称之为随机序列。正态白噪声就具有普遍随机性。

如果我们对一个正态的白噪声进行采样，取样值为‘+’，则记为1，为‘-’记为0，则构成一个随机序列，该随机序列有如下主要统计特性： （1）序列中0、1个数出现概率相等

（2）序列中长度为1的游程占1/2，长度为2的游程占1/4，…且长度为k的游程中，0游程与1游程个数相同。

（3）该序列的自相关为冲激函数。

能直接使用上述的随机序列做系统测试吗？答案是不能。因为如果发射序列是完全的随机序列，系统接收端就不能预知。不可能通过对比发射序列与恢复序列进行功能与性能测试。

因此，作为随机序列的替代者，伪随机序列登场了。伪随机序列的意思是：表面看起来很像随机，但它其实是确定的序列。所谓“确定序列”是指：如果知道规则，可以准确写出后面的全部序列并且具有周期性。而真正的随机序列，无论已经看到多少前面的数值，也不可能确定出下一个数是什么，而且它也不是周期序列。总之，具有周期性的伪随机序列的产生方法不算复杂，而且它的统计特性如：均衡性、游程特性、相关函数等与随机序列很相像。这样看来，实际上存在很多种伪随机序列。通常，伪随机序列也被称为伪噪声序列（PN Seq）。 在系统测试中，使用最多的伪随机序列是m序列。它是行业标准的误码测试序列。m序列的主要统计特性与上述随机序列的非常相似。随机序列的周期最大（无穷大），而m序列是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的序列。研究表明，一个n级线性反馈移存器可能产生的最长周期为2n?1，因此m序列的周期就是2n?1。

图2-3 (a) 图2-3 (b)

不同反馈形式电路生成的序列周期是有差异的。可以计算出图2-3 (a)的输出序列周期为15，而图2-3(b)的输出序列周期为7。因此m序列生成的关键在于线性反馈移位寄存器电路中的抽头位置。实际上一个n次本原多项式决定的反馈抽头位置，会产生一个n级的m序列。在SYSTEMVIEW软件中，图符PN GEN 的缺省抽头位置就满足本原多项式，因而可以产生m序列。

m序列生成时考虑的另外一个重要因素是避免移位寄存器输出进入全零状态，对此采取的措施是：设计反馈电路避免产生全零态；或者在移位寄存器设置非全零的初始态。

在SYSTEMVIEW软件中，图符PN GEN的一个初始参数SEED值代表了移位寄存器设置的初始态。如果SEED值取-1表示移位寄存器各初始值设为全1。 4.2 固定序列

有时为了更简明快捷观察系统特性，测试的数字基带信号也使用固定周期序列。常用的如：全零、全1、时钟、占空比1：3，占空比7：1等周期信号。

三、实验步骤：

1、进入SYSTEMVIEW软件系统窗口，设置系统运行时间为：

采样频率=200kHz， 运行时间=2 ms， 2、用Systemview 软件建立一个仿真电路，如图2-4所示：

图2-4

3、图符参数配置： Token 3 Parameters: Source: Pulse Train Amp = 1 v Freq = 10e+3 Hz PulseW = 25e-6 sec Offset = 0 v

Phase = 0 deg 4、运行系统：

在Systemview 系统窗内运行该系统后，转到分析窗观察Token 4的波形，应显示1:3周期波形（其中1代表的时间宽度是码速为20K时对应的码元时宽）。 5、用Systemview 软件在图2-4旁建立一个仿真电路，该电路结构与图2-4完全相同。

6、请在分析原理和步骤3中参数基础上，对步骤5中电路图符参数进行定义，运行系统后，从步骤5中新建观察点上，显示相应的7:1周期波形（其中1代表的时间宽度是码速为20K时对应的码元时宽）。

7、根据数字双相码(曼彻斯特码)原理，用Systemview 软件建立一个仿真电路：

图 2-5

如图2-5所示。 8、图符参数配置： Token 9 Parameters: Comm: PN Gen Reg Len = 4 Taps = [1- 4] Seed = -1

Threshold = 500e-3 True = 1 False = 0；

（其中PN Gen生成的是m序列）

Token 10 Parameters: Source: Pulse Train Amp = 1 v

Freq = 20e+3 Hz PulseW = 25e-6 sec Offset = 0 v

Phase = 0 deg；

Token 32 Parameters: Logic: Invert

Gate Delay = 0 sec Threshold = 500e-3 v True Output = 1 v False Output = 0 v Rise Time = 0 sec Fall Time = 0 sec；

Token 38 Parameters: Logic: OR

Gate Delay = 0 sec Threshold = 500e-3 v True Output = 1 v False Output = 0 v Rise Time = 0 sec Fall Time = 0 sec

9、在Systemview 系统窗内运行该系统后，转到分析窗观察Token13、36、35三个观察点的波形，应分别是相应的1码、0码及全码对应的曼彻斯特码的时域波形。

10、继续在Systemview分析窗口中，点击按钮? ，出现“SystemView信宿计算器”对话框，该对话框左上部共有11个分类设置开关按钮，单击分类设置开关按钮 Spectrum，在右上角的“Select one or more Windows:”窗口内选择

信号观测点Sink 13；接下来选择计算功率谱的条件，选中“Power Spectrum Density[dBm/Hz 50 ohms]”项，如图2-6所示，最后单击按钮 OK 返回分析窗，等待功率谱显示活动窗口的出现。

图 2-6

结果会在功率谱显示活动窗口中看到单极性归零信号的功率谱；

类似的步骤，选择在右上角的“Select one or more Windows:”窗口内选择信号观测点Sink 35计算功率谱，可以显示曼彻斯特码（实际上相当于一种特殊的单极性不归零信号）的功率谱。（注意不要根据提示替换掉原有窗口） 五、实验结果及分析

1、本次SYSTEMVIEW软件实验中碰到的一些使用技巧及需要注意的问题。

A．当需要打开两个文件时，不能从已打开的软件中调入，系统会默认原来打开的文件，而不执行新调入的文件。要实行来个文件的调入运行方法是：重新打开软件，出现两个systemview即可。

B．在布置信宿库，逻辑库等模块时要注意合理位置的摆放。Systemview默认的连接线会区分颜色，这就防止操作者因为大意而连接错误。

C．要进行图像对比分析时可以利用systemview analysis中的图形层叠，并排比较等操作完成。

D．本实验在观察功率谱时，运用Systemview分析窗口中，点击按钮? ，出现“SystemView信宿计算器”对话框，然后选择信宿块编号，以方便分析。 2、通过整理的波形将实验得到结果与理论结果对比

实验图如下图1： A．在步骤5新建仿真电路中，通过改变信号源的参数PulseW 使之从25e-6 改变为87.5-6，在Systemview 系统窗内运行该系统后，转到分析窗观察其波形，其显示结果为占空比为7：1的波形。

B．Token12、9、10三个观察点的波形，应分别是相应的1码、0码及全码

对应的曼彻斯特码的时域波形。波形图如图2

图1

SystemView0500e-6Sink 31e-31.5e-32e-3800e-3Amplitude400e-300500e-61e-31.5e-32e-3Time in Seconds

SystemView0500e-6Sink 121e-31.5e-32e-3800e-3Amplitude400e-300500e-61e-31.5e-32e-3Time in Seconds

SystemView0500e-6Sink 91e-31.5e-32e-3800e-3Amplitude400e-300500e-61e-31.5e-32e-3Time in Seconds

SystemView0500e-6Sink 101e-31.5e-32e-3800e-3Amplitude400e-300500e-61e-31.5e-32e-3Time in Seconds

SystemView0-30-5025e+350e+375e+3Spectral Density of Sink 12 (dBm/Hz 50 ohmPower Density-70-90025e+350e+375e+3Frequency in Hz (dF = 498.8 Hz)

SystemView0-20-40-60-800Spectral Density of Sink 10 (dBm/Hz 50 ohm25e+350e+375e+3Power Density25e+350e+375e+3Frequency in Hz (dF = 498.8 Hz)

图2

由图二可知，实验值与理论值基本相同；

但功率谱不同，原因是系统过程中存在噪声，使功率谱出现波动。但总体走势与理论相同！ 3、心得与建议。

本实验属于验证性实验，在实验时应该保持科学的态度，认真细致，要学会正确使用软件，合理安排图形布局使之较易对比分析图形，并且要学会分析实验误差。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/37ra.html