信噪比与误码率实验指导书讲解

1、数字调制及解调信道信噪比与误码性能测试实验指导书一、功率计的功能及使用WY2288是一种智能化射频毫伏表 /小功率计，能测量频率从 200Hz1500MHz的正弦电 压有效值和相应的功率值。它采用检波放大原理，具有频响宽，驻波系数小，灵敏度高，测 量准确度高的特点。基于 CPU控制的数字化仪器，LCD菜单式显示多参数和变化动态指针显 示，实现自动量程， 是科研单位、高校实验室、生产线中超高频电压和功率测试和计量的必 备仪器。(一) 工作特性( 1 )被测电压频率范围： 200Hz1500MHz(2) 电压测量范围：1m10V;最高显示数：11000。如使用40dB分压器(选购件) 可扩展到30

2、0V。满度值为10mV 100mV 1V 10V共四档。(3) 电平测量范围：-47+33dBm( 0dBm=0.224V, 50 Q匹配负载)，分辨率土 0.01dB。 -48 +31dBm(0dBm=0.274V, 75Q 匹配负载)，分辨率土 0.01dB。(4) 功率测量范围：0.1卩W-2000mW/最高显示数：24000。满度值分 2卩W200卩W20mW 2000mW共四档/(5) 电压测量固有误差(以探针探头插入 T型接头，匹配50Q时为基准)：土 1% ± 10 个字/ 10mV档: ± 3% ± 0.3mV。(6) 功率测量固有误差：土 3%

3、± 10个字/ 2叮档 ± 10% ± 50个字/(7) 固有频响误差(以1MHz 0.8Vrms信号用探针探头插入 T型接头，匹配50 Q时为基 准),1kHz100MHz w± 3% 200Hz-300MHz <± 5% 300MHz-600MHz <± 8% 600MH 1000MHz w± 12% 1000MHz 1500MHz <± 30%(8) 电压测量工作误差(以探针探头插入 T型接头，匹配50 Q时为基准)：土 2% ± 10 个字/ 10mV档: ± 5% &

4、#177; 0.5mV。(9) 功率测量工作误差：5%± 10个字/ 2卩聊当：土 15%± 50个字/(10) 工作条件下频率影响误差 (以1MHz 0.8Vrms信号用探针探头插入 T型接头，匹配 50 Q 时为基准),1kHz100MHz ± 5% ; 200Hz300MHz ± 8% 300MHz- 600MHz ± 10% 600MHz1000MHz：±15%； 1000MHz1500MHz：± 25%/(11) 输入阻抗：w 15kQ ( 100mV档)，输入电容：v 2.0pF /(12) 正常工作条件：环境温

5、度： 1035C,相对湿度：v 90% (35C),大气压力： 750± 30mmH/g(13) 电源电压：220V± 10% 50Hz± 5% 电源功耗：v 10VA(二) 仪器的使用1. 仪器面板功能介绍仪器前面板，如图 1 所示/ 量程选择开关：当 LCD屏下面的电压变化指针显示“ OVER时，表示已超该量程范围，显示数值无效，按“”键为升量程，当“ OVER显示消失时，进入有效测量状态。当LCD屏下面的电压变化指针显示“ UNDER时，表示显示已进入太低数值，按“”键为降量程，当“ UNDER消失时，进入正确显示状态。 量程自动/手动选择键：LCD屏显示A

6、UTO时为自动量程。当数显11000或V 800时自动换挡。开机默认为手动量程(MAN) 电压/功率测量选择键：开机默认为电压测量， 按该键后就改为功率测量，再按一下就回复到电压测量。功率测量时，无自动量程功能，且一定要满足相应阻抗要求。 阻抗选择：开机常态显示为 50 Q匹配时dB值，按一下就选择为 75 Q匹配状态下显 示dB值。 10mV校正调节。低电平信号(V 5mV)测试时，环境温度和电磁场对测试有影响，预热一小时后，探头和 10mV校正信号源连接(注意不能接50 Q或75Q终端负载)。可调节该装置，使电压显示标称值。可保证低电平测试的准确性。大于10mV信号测试不需要上述调节。 1

7、0mV校正信号源，输出一个稳定的10mV校正信号源，用来对 10mV档测试校正。 探头插座，插入探头作测量用。 探头。 探头接地线。 LCD屏显示内容：如图 2电压或功率显示手动自动显示一嚮8.88®n?s测试值变化指针欠星程显示UMW flhMtfNtWlinMUl OVW电平和阻抗显示超量程显示图2 LCD显示屏2 测量准备(1) 把探头插到探头插座上(2) 接通电源，预热15分钟，测量低电平(<5mV)信号时需预热60分钟后才能有效测 量。（3）使用探针式探头时，用尽量短的接地线与探头外壳短接，减少测试误差。测量高频率（30MHz）低电平（30mV）信号时，最好是采用本仪

8、器提供的同轴T型探头及相应匹配负载。（4）选择适当的量程。3 操作注意事项（1）探头应尽量离开发热体，以免引起探头升温。（2）探头测量电压,.直流电压应v 1 00V,.交流电压v 1 5Vrms。.（3） 探头是本仪器主要部件，如果使用不当，探针及连线容易损坏，因此需要特别小心。（4）测量低电平信号（V 5mV），由于有一个热平衡过程，加上信号后，数显经数秒钟后 才会有一个较稳定的读数。4.备附件使用（1）同轴探头使用当测量电压较低（V 30mV且频率较高时，或者外部干扰场较大时，为减小测量误差应 使用同轴系统进行测量。如需匹配也可加上适当的终端负载加以匹配。WY2288配置同轴式探头，适宜

9、在同轴匹配状态下测量，它的特点是低电平（v 30mV）仍有优良的幅频特性。WY2288出厂时是以使用探针式探头来校准的，所以在使用同轴探头时会引入一定的离 散性误差，特别是当测量低电平 （v 30mV）时要重新进行10mV挡校正调节，否则会引起较 大误差。同轴探头比探针探头有更优良的低电平频幅特性（见图3）（2）同轴探头技术特性 电压测量范围：5mV8V。允许引入附加误差土 2% 被测电压频率范围：200Hz1.5GHz 频响误差（以 1MHz; 8mV为基准，50Q匹配），200Hz300MHz: ± 6%; 300MHz1GHz：± 10%; 1GHz 1.5GHz：

10、土 18%。图3低电平(8mV)探头频幅特性二、误码测试仪的功能及使用JH9001A是一种增强型的误码测试仪，它可以测试从2.4Kbps 8192Kbps范围内的多种数据速率，具有 RS422 RS232、TTL、BNC等多种测试接口，可提供多种测试用的PN码图案和8比特任意输入码，提供误码率为0, 10-3, 10-4, 10-5等多种测试模式。根据被测设备的要求，可选择合适的接口、数据速率、时钟方向和发码时钟。用户界面采用汉字液晶显示屏，各类操作均有菜单提示。操作简单，使用方便，适应范围广，是高校实验室、科研单位、 生产线中误码测量理想的必备仪器。(一)工作特性(1) 多种数据速率。外时钟

11、速率：2.4Kbps 20Mbps ;内时钟速率：2.4Kbps、8Kbps、16Kbps、32Kbps、64Kbps、512Kbps、2048Kbps、8192Kbps。内时钟数据速率精度：1X 10-6。(2) 多种物理接口 ：接口 1为TTL电平同步数据接口，接口2为RS232电平同步数据 接口，接口 3为RS422同步数据接口，接口 4为符合G.703标准的HDB3码。(3) 多种测试码图案：23-1、27-1、29-1、(511码)2 15-1和221-1等PN序列及8位人工输入码。(4) 多种插入误码测试模式：插入误码率为0、10-3、10-4、10-5等。(5) 时钟方向选择：发

12、码时钟和收码时钟均可选择上沿发码或下沿发码。(6) 工作环境：工作温度：-10 +45 C，储存温度：-20 +60 C，相对湿度：20 90%。(7) 电源电压：220V± 10% 50Hz± 5%(二)仪器使用在JH9001A增强型误码测试仪中，可通过改变不同的参数设置来适应不同的测试要求。 需要设置参数时，按相应的功能键，即可出现参数选择菜单，通过按上下箭头键选择所需要 的测试参数，再按确认键，所选参数反白，表示相应的测试参数已被确认。1. 仪器面板功能介绍(1) 模式”键按 模式”键后,液晶屏显示：插入误码0插入误码10-3插入误码10-4插入误码10-5用于测试模

13、式选择。插入误码0指正常发码，即在发码序列中不插入误码。插入误码10-3指在发送码序列中按误码率1 X 10-3插入误码，即发送1000个码元插入1个误码。设备初始化时，设定模式为插入误码0。(2) “接口”键TTL电平按"接口”键液晶屏显示：RS232电平RS422接口HDB3 码设备初始化时，设定为 TTL电平接口。TTL电平有两个物理接口，前面板的 BNC接头既 可作TTL电平接口，也可以作HDB3接口。后面板还提供了一个 15芯的D型座作为TTL电平 接口。在使用前面板的BNC接头作TTL电平接口时，接线前务必先在 “接口”设置菜单中选 择“ TTL电平”。避免在选择“ HD

14、B3码”时从BNC接头中接入TTL电平数据。本机只提供了最常用的2048Kbps速率的HDB3码。HDB3码的发码时钟是误码仪内部2048K时钟。选用 HDB3码必须在“内时钟速率”选项中选择“2048K”。HDB3码的收码时钟是从HDB3码中提取出来的。（3）“码图案”键用于选择发码的图案。按此键后，液晶屏显示码图案:23-127-129-115 2 -1影1 2 -1输入码码图案有 6 种：23 -1PN码、27 -1 PN码、29 -1PN码、215 -1PN码、221-1PN码、8位人工输入码。当选择“输入码”选项并按确认键后，进入8位人工输入码菜单，液晶屏显示：请输入8位人工码:人工

15、码：10101010输完后请按确认键!菜单中显示的8比特码是前一次输入的人工码，通过“0”、“1”按键，可以重新键入任意 8比特码。输入完毕按“确认”键则输入指示符号消失。（4）“时钟”键外时钟指误码仪使用外用于发码时钟的选择。 内时钟指误码测试仪内部产生的时钟, 部提供的时钟发送码序列，由所选择接口相应的输入脚来提供外时钟。内外时钟选择:内时钟外时钟按“时钟”键后，液晶屏显示：选择内时钟后，将进入内时钟速率选择菜单，液晶屏显 示：设备初始化时，设定内时钟速率为2048K。（5）“时钟方向”键2.4K64K8K512K16K2048K32K8192K“时钟方向”键用于同步数据误码测试。同步数据

16、是用时钟的上沿或下沿来触发数据。不同的数据接口，其时钟和数据的相位关系可能不一样，所以设置误码测试仪的时钟方向是很重要的。按“时钟方向”键进入收发时钟的触发沿选择菜单，液晶屏显示:收码”是指用收时钟的下沿采入收码。一般要求收码时钟沿要对准码元的中间，根据被测设备的收发时序来选择误码仪的时钟方向。如果信道设备发送端是用时钟上沿接收误码仪的发码，则误码仪要用时钟的下沿发送码序列，“时钟方向”应设置“下沿发码”；如果信道设备是用下沿采样误码仪的发码，则“时钟方向”应设置“上沿发码”。如果信道设备接收端是用收时钟上沿送出收码，则误码 仪应该用收时钟的下沿采样收码，“时钟方向”应设置“下沿收码”；如果信

17、道设备接收端是用收时钟下沿送出收码，则“时钟方向”应设置“上沿收码”。（6）“背光/对比度”键液晶屏的背光可以通过设置打开或关闭，误码测试仪在有按键操作时会自动打开背光， 50秒内没有键盘操作会自动关闭液晶屏的背光。按“背光/对比度”键先进入液晶背光设置，再按此键则进入对比度调节。背光设置 菜单：液晶背光：开（关）请使用 键按“”键则液晶背光打开，按“”键则液晶背光关闭。（7）“测试/暂停”键按“测试/暂停”键，则误码测试仪进入测试状态。液晶屏开始显示：时间：00: 00： 00收码：0误码：0误码率：0.00 x 10液晶屏的第一行显示的是测试时间，第二行显示的是收码个数，第三行显示的是误码

18、个数，第四行显示的是误码率。在收码同步期间，开始全部显示为0,码同步后，液晶屏开始显示各种计数。面板上有同步状态指示灯。同步红色指示灯亮，表示收码没有同步；灯灭，表示收码同步。在测试过程中，除 测试/暂停”键外的其它按键都不起作用，按“测试/暂停”键将停止测试，液晶屏保留最后的测试结果。2. 误码测试的参数设置按“接口”键，选择相应接口，本实验系统，选择RS422接口。按“码图案”键选择测试码图案，正式测试的码图案一般要求码序列周期长度大于等于511 （29 - 1为511码）。按“时钟”键选择“内时钟”或“外时钟”为发码时钟。如果选择了“内时钟”，则进一步选择内时钟速率。如果使用外时钟发码，

19、先设置与外时钟相近的内时钟速率档，再回到时钟菜单选择“外时钟”项。使用外时钟发码时，外时钟从后面板D型“ RS422测试口”的TCLK土脚输入。按“模式”键，选择插入误码0模式。按“时钟方向”键，选择收发时钟和收发码的相位关系，这个设置要根据被测设备的接口特点来决定。以上参数设置无顺序要求。所有参数设置完后按“测试 /暂停”键进入误码测试，再按“测试 /暂停”键将停止测试 并保留测试结果。设置的测试参数在关机后都被保存在非易失性存储器里，下次开机时所有测试参数将重新调出，不需重新设置。误码率测试在接收端将接收到的码序列与本地码序列进行比较，从而计算出累计收码 数、累计误码数和平均误码率，并实时

20、显示测试结果。三、数字调制及解调信道的误码特性在数字频带传输系统中， 不同的调制解调方式，系统的抗噪声能力不同， 误码特性不同, 即误码率不同；对于同一种调制方式，接收端采用不同的解调方法，其误码特性也不同。下 面主要讨论二进制的 2FSK 2PSK 2DPS的误码特性。(一) 2FSK勺误码特性对于FSK言号的解调方式很多：相干解调、包络检波非相干解调、正交相乘 非相干解调、过零检测法。下面主要讨论相干解调、滤波非相干解调的误码率。1、相干解调的误码率图4为2FSK相干解调的原理框图。图4 2FSK相干解调的原理框图发送端产生的2FSK信号可表示为：St (t) = s2FSK (t)= a

21、 cos J，发“ T a cos，2t，发“ 0"接收机收入端合成波形为:a cos，壮 nt，发“ i" a cos 2t + n(t )发“ 0"接收端上、下支路两个带通滤波器BPFi、BPF2的输出波形分别为:acosoit+ ni(t),发“ ii(t)，发“ 0”yi (t)=丿a cos<o2t + n2(t),发“ 0"i n2(t)，发 “ 1”考虑到这里的噪声为窄带高斯噪声则：a + nic (t) cos it nis(t) sin 我，发ic(t) cosit nis(t)sin it，发y2(t)ryi(t)二1”0&qu

22、ot;(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)Ec(t)、n2c(t)是相互独立，均值为0、方差为的高斯噪声，因此Z也是均值为a，方差2匚2；n2c(t) cos n2s(t)sin 国2仁 发 “ 1” " a+ n?c (t) cos n2s(t)s in 灼，发“ 0”发送“ 1”符号，则上下支路低通滤波器输出分别为：Xi(t) =a +n ic(t)X2(t) = n2c(t)将造成发送“1”码而错判为“ 0”码，错误概率为：P(0/1) =P(Xi :： X2)=P(Xi X2 ： 0) = P(z ：0)z = a5c(t) -n2c(t)的高斯噪声。它的一

23、维概率密度函数可表示为:f(z)(X1 -a)21: rP(0/1) =P(z：Werfc(. 2)2r = 壬 为输入信噪比。如无特殊说明,2二r均相同同理可得，发送 0”符号而错判为1 ”符号的概率为：P(1/01erfc . r于是可得2FSK言号采用相干解调时系统的误码率为:Pe =P(1)P(0/1)P(0)P(1/0) =lerfc , r P(1)P(0)2 2=1 erfc J丄2: 2在大信噪比条件下，上式可近似表示为1 22二 r ePe(10)(11)(12)(13)(14)图5 2FSK包络检波非相干解调的原理框图 发送T符号：(15)yO 二an“(t) cos 泣-

24、n 1S(t) sin 泓二.：!an 1C (t)2n；(t) cost(t)y2(t)二 n2c(t) cos 2t - n2s(t) sin =.n；(t) n；(t) cos *2(t)(16)vi(t) f；a nic(t)2 n；s(t) , V2(t)n；(t) n：(t)(17)Vl (t)概率密度分布为赖斯分布，v2(t)为瑞利分布发送“1”码而错判为“ 0”码，错误概率为：P(0/1)=丄e/2(18)2同理，发送“ 0”码而错判为“ 1 ”码，错误概率为：p(1/0)=e "( 19)22FSK言号采用包络检波解调时系统的误码率为：2(20)Pe =P(1)P(

25、0/1)P(1)P(1/0) JeP P(1) P(0) l-eP2 2从误码率计算公式可见， 在输入信号信噪比一定时， 相干解调的误码率小于非相干解调的误码率。图6 BPSK相干解调的原理框图 经信道传输，接收端输入信号为：(二) BPS的误码特性BPSK军调必须采用相干解调，原理框图如图6所示:a cosset + n(t，发“ 1” -a cos co ct + n(t，发“ 0”(21)经带通滤波器输出：y(t) =s(t )+ ni(t )ra cosset + nc(t)cos灼ct 一ns(t)sincM,厂a cosset + nc(t) cosset (t)sincct，发“

26、1”发“ 0”(22)与本地载波相乘后，经低通滤波器滤除高频分量，在抽样判决器输入端得到:'a+ric(t), la+ njt), 它的概率密度函数分别为：1x(t)发“1”发“ 0”(23)住肛)，发“ 0”2G区尊，发“ T26V,二 0f° x ： exp(*2兀12 =严BPS係统的最佳判决门限电平为：在最佳门限及0、1等概率时，BPS係统的误码率为：qQPe =P(0)P(1/0)P(1)P(0/1) =P(0)f0(x)dx P(1) = f1(x)dx_ 10 f°(X)dxP(0) P(1)° f0(x)dx=2erfc( r)(24)(2

27、5)1 r在大信噪比下，上式成为：Pe & 一 ee 2药(三)2DPS的误码特性2DPS的解调有两种，一种是差分译码相干解调，另一种是延迟非相干解调(27)1、相干解调的误码率2DPSK信号2PSK相干解调器b n差分译码FeX肚 n-1 a nPe图7 2DPSK相干解调的原理框图差分编码相干解调的 DPSI系统如图7所示。相干解调后进行差分译码，差分译码会引起 错误传播，译码前的一个错码在译码后会产生两个错码。译码前连续出现两个或多个错码， 译码后仍仅头、尾两个错码，以序列0110111001为例，如图8所示。bn 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1(a)an 1 0 1 1

28、 0 0 1 0 1bn 0 1 1 0 1 1 1 0 0 x1(b)an 1 0 1 1 0 0 1 0 Xxbn 0 1 1 0 1 1 1 0 0 Xx(c)an 1 0 1 1 0 0 1 0 1xbn 0 1 1 0 1 1 1 0 0 x1x x x x(d)an 1 0 1 1 0 0 1 0 1x带“x”的为错码图8 误码对差分译码的影响差分译码后的误码率：P= 2P +2P2 +. + 2Pk + ，其中R为译码前连续出现k个错码的概率，Pk =(1 -Pe)2Pek , R为2PSK相干解调器输出的误码率。所以,Pe =2(1 -PePe1Pe')=2(1 -Pe

29、)Pe(28)(29)当R较小时，巳” 2巳=erfcC r)2、延迟解调法的误码率其方框图和波形图如图9所示，这种方法解调时不需要恢复本地载波，可由收到的信号单独完成，但要求码元宽度为载波周期的整数倍。将DPS信号延时一个码元间隔 Tb,然后与DPS信号本身相乘，相乘结果经低通滤波后再抽样判决即可恢复出原始数字信息。设加到乘法器的混有噪声的前后两码元信号为：图9 2DPSK延迟解调的原理框图乘法器输出为：y(t) = Si (t) S2 (t)2=a nci(t)anc2(t) cos Wotan“(t) ns2(t)sinw°t cosw°t2-an c2(t) %1(

30、t)si n Wotcoswotn s<t) %2(t)sin w°t11经过 LPF后，得x(t)=a+ nd(t)a+ nc2(t)中；ns1 (t)nS2 (t)(30)22判决规则为：x w 0，判为0; x>0,判为1。则发1错判为0的概率为：(31) Pe1 二 R(a nd)(a nc2)口前$2 0D 1 二经过计算得：巳1=2°( 32)具体推导过程可参考相关书籍。同理，发0错判为1的概率为：Pe0系统总误码率为：6_rFe 二 p(1)Pe1p(0) Fe。从误码率计算公式可以看出，在相同大信噪比条件下,(33)(34)DPS系统性能劣于PS

31、K系统性能。(四)二进制数字调制系统的误码特性比较从上面推导的误码率公式可以看出，相干解调方式优于非相干解调方式，它们是函数erfc(x)与exp(x)之间的关系。从图10 Per曲线中可清楚看到，在相同输入信噪比r的条件下，相干解调PSK误码特性最好，其次是差分相干DPSK非相干ASK差。在相同误码率的条 件下，信噪比PSK：匕DPSK1、1dB, PSK：匕FSK小3dB (相同解调方式)， FSK：匕ASKj、3dB (相同解 调方式)。r/dR图10二进制数字调制系统的Per曲线四、实验箱白噪声发生器原理周期性m序列的频谱特性具有白噪声特性，在白噪声模块中利用这一性质产 生噪声源。但一

32、般仃序列由于状态数，产生的信号随机性不强，且分布一般不为 高斯分布。为了能产生所需要的白噪声，采用了以下技术措施：1、m序列噪声特性与其周期长度有关，周期越长，越接近白噪声谱。在23FPGA实验箱中部左边那个1K30芯片）中选用了 2 -1的长m序列。2、并在m序列中加入了一定的扰动技术，使其性能更好。3、另外，还采用了高速率驱动时钟（24MHZ，使产生的噪声谱很宽，而系 统中所使用的只截取其频带的一小部分。经计算机仿真，采用这些措施后，噪声分布更接近理想高斯噪声，能满足实 验系统的要求。噪声模块电路框图如图11所示。U002B+SW001图11噪声模块电路组成框图五、数字调制及解调信道的信噪

33、比与误码性能测试(一) 实验前准备工作(1) 预习本实验的相关内容；(2) 实验前重点掌握的内容： 2FS碉制及解调信道的误码性能 BPSI调制及解调信道的误码性能 信噪比与误码率测试方法的设计(3) 思考题： 在数字频带传输系统中，误码率的大小与哪些因素有关? 信噪比S/N与eb/n。之间的关系是什么？(二) 实验目的(1) 提高信道误码与信噪比的综合测试方法的设计能力(2) 掌握信噪比的测量方法(3) 掌握误码率测量方法(4) 了解FSK BPSK在噪声下的基本性能(5) 了解实际信道与理想信道的噪声特性、信噪比和误码率的差异(三) 实验仪器(1) ZH5001A通信原理综合实验系统(2)

34、 20 MHz双踪示波器(3) 误码测试仪(4) 高频小功率计(四) 实验测量参考方法数据频带传输系统实验组成框图，如图.一-台.一-台.一-台.一-台12所示。FSK BPSKDBPSKii噪声图12数据频带传输系统实验组成框图1、PSK信道S/N的测量方法1对于PSK信道，S/N的测量可采用功率计测量，如图13所示。图13 采用功率计测量S/N连接示意图首先，测量高斯白噪声功率 N,按图13连接，在A点将调制信号断开，这样在 B点处将测 量得信道上高斯噪声N,根据高斯噪声所占据的带宽 Bn可计算出高斯白噪声的谱密度： no = N/b。然后在C点处断开，测量信号功率S,计算出信号的每比特能量：eb=S/Rb（ 35）n/Bnb Inb Rb 一dB2、PSK信道S/N的测量方法2对于调相信号，S/N的测量可以采用功率计，也可