眼图观察测量实验

一、实验目的 

1.学会观察眼图及其分析方法，调整传输滤波器特性。 

二、实验仪器 

1. 眼图观察电路（底板右下侧） 

2．

时钟与基带数据发生模块，位号：G 3．

噪声模块，位号E 4．

100M双踪示波器1台 

三、实验原理 

在整个通信系统中，通常利用眼图方法估计和改善（通过调整）传输系统性能。 

我们知道，在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间串扰。在码间串扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。为了便于评价实际系统的性能，常用观察眼图进行分析。 

眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。 

什么是眼图? 

所谓“眼图”，就是由解调后经过接收滤波器输出的基带信号，以码元时钟作为同步信号，基带信号一个或少数码元周期反复扫描在示波器屏幕上显示的波形称为眼图。干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。因为对于二进制信号波形，它很像人的眼睛故称眼图。 

在图12-1中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”，一个无失真，另一个有失真(码间串扰)。 

图12-1中可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。眼图的垂直线表示取样时刻。当波形没有失真时，眼图是一只“完全张开”的眼睛。在取样时刻，所有可能的取样值仅有两个：+1或-1。当波形有失真时，“眼睛”部分闭合，取样时刻信号取值就分布在小于+1或大于-1附近。这样，保证正确判决所容许的噪声电平就减小了。换言之，在随机噪声的功率给定时，将使误码率增加。“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。 

为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图12-2的形状。 

由此图可以看出：(1)最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；(2)眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感； (3)在取样时刻上，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量；(4)在取样时刻上，上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；(5) 阴影区与横轴相交的区间表示零点位置变动范围，它对于从信号平均零点位置提取定时信息的解调器有重要影响。实验室理想状态下的眼图如图12-3 所示。 

衡量眼图质量的几个重要参数有： 

1．眼图开启度(U-2Δ U)/U 

指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。无畸变眼图的开启度应为100%。

其中U=U++U- 

2．   “眼皮”厚度2Δ U/U 

指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比，无畸变眼图的“眼皮”厚度应等于0。 

2．交叉点发散度Δ T/T 

指眼图过零点交叉线的发散程度，无畸变眼图的交叉点发散度应为0。 

3．正负极性不对称度 

指在最佳抽样点处眼图正、负幅度的不对称程度。无畸变眼图的极性不对称度应为0。 

最后，还需要指出的是：由于噪声瞬时电平的影响无法在眼图中得到完整的反映，因此，即使在示波器上显示的眼图是张开的，也不能完全保证判决全部正确。不过，原则上总是眼睛张开得越大，误判越小。 

在图12-3 中给出从示波器上观察到的比较理想状态下的眼图照片。本实验主要是完成PSK 解调输出基带信号的眼图观测实验。

四、各测量点和可调元件作用 

底板右下侧“眼图观察电路”

W06：接收滤波器特性调整电位器。 

P16：眼图观察信号输入点。 

P17：接收滤波器输出升余弦波形测试点（眼图观察测量点）。 

五、实验步骤 

1．插入有关实验模块： 

在关闭系统电源的情况下，按照下表放置实验模块：

2．信号线连接

使用专用导线按照下表进行信号线连接：

打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。

4．实验内容设置

拨码器“4SW02”（G）设置为“00011”，4P01 产生32K 的 511 位m 序列；

5．眼图观测

（1）用示波器的一根探头CH1 放在“4P02”（G）上，另一根探头CH2 放在“P17”

（底板）上，选择示波器触发方式为CH1。

（2）调整示波器的扫描旋纽，则可观察到若干个并排的眼图波形。眼图上面的一根水平线由连1 引起的持续正电平产生，下面一根水平线由连0 码引起的持续的负电平产生，中间部分过零点波形由1.0 交替码产生。

●无噪声眼图波形观察

（1）调节3W01（E）电位器，将3TP01 噪声电平调为0，使传输信道无噪声；

（2）调整接收滤波器r() H （这里可视为整个信道传输滤波器() H ）的特性，使之构成一个等效的理想低通滤波器。观看眼图，调整电位器W06 直到眼图波形的过零点位置重合、线条细且清晰，此时的眼图为无码间串扰、无噪声时的眼图。在调整电位器W06 过程中，可发现眼图波形过零点线条有时弥散，此时的眼图为有码间串扰、无噪声时的眼图，并且线条越弥散，表示码间串扰越大；在调整过程中，还可发现W06 在多个不同位置，眼图波形的过零点都重合，由于 W06 不同位置，对应的不同特性，它正好验证了无码间串 扰传输特性不是唯一的。 ()H 有噪声时眼图波形观察 调节3W01（E），逐渐增加噪声电平。在增大噪声电平的过程中，注意观察眼图的形状变化，分析噪声电平对眼图的影响，反过来通过不同状态的眼图，分析当前传输信道的噪声。

●调整眼图电路参数后眼图观察 

调节W06（底板）电位器，改变眼图信道传输滤波器的带宽，在调整过程中，分析信道带宽对眼图电路的影响，并结合眼图理论分析带宽、码间串扰 

6. 关机拆线 

实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。 

六、实验报告要求 

1．分析电路的工作原理，叙述其工作过程。 

2．叙述眼图的产生原理以及它的作用。

答：

实验13 数字频率合成实验 

一、实验目的 

1．加深对基本锁相环工作原理的理解； 

2．熟悉锁相式数字频率合成器的电路组成与工作原理。 

二、实验仪器 

1．数字频率合成模块，位号：B 

2．时钟与基带数据发生模块，位号：G

3．100M 双踪示波器1 台 

三、实验原理 

1．锁相环的构成及工作原理 

（1）锁相环的基本组成 图13-1 是锁相环的基本组成方框图，它主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成。

1 压控振荡器（VCO）

VCO 是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO 上的电压。所谓压控振荡器就是振荡频率受输入电压控制的振荡器。

2 鉴相器（PD）

PD 是一个相位比较器，用来检测输出信号0 V （t）与输入信号i V （t）之间的相位差(t)，并把 (t)转化为电压V (t) d 输出，V (t) d 称为误差电压，通常V (t) d 作为一直流分量或一低频交流量。

3 环路滤波器（LF）

LF 作为一低通滤波电路，其作用是滤除因 PD的非线性而在V (t) d 中产生的无用组合频率分量及干扰，产生一个只反映 (t)大小的控制信号V (t) C 。

4046 锁相环芯片包含鉴相器（相位比较器）和压控振荡器两部分，而环路滤波器由外接阻容元件构成。

（2）锁相环锁相原理

锁相环是一种以消除频率误差为目的反馈控制电路，它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差。按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO 的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使V (t) O 与V (t) i 的相位差 (t)发生变化，该相位差经过PD 转换成误差电压V (t) d 。此误差电压经过 LF滤波后得到V (t) c ，由V (t) c 去改变VCO 的振荡频率，使其趋近于输入信号的频率，最后达到相等。环路达到最后的这种状态就称为锁定状态。当然由于控制信号正比于相位差，即V (t) d 正比于 （t），因此在锁定状态， （t）不可能为零，换言之，在锁定状态V (t) O 与V (t) i 仍存在相位差。虽然有剩余相位误差存大，但频率误差可以降低到零，因此环路锁定时，压控振荡器输出频率O F 与外加基准频率（输入信号频率） i F 相等，即压控振荡器的频率被锁定在外来参考频率上。

3．数字频率合成器的基本工作原理

频率合成技术是现代通信对频率源的频率稳定度与准确度，频谱纯度及频带利用率提出越来越高的要求的产物。它能够利用一个高稳标准频率源（如晶体振荡器）合成出大量具有同样性能的离散频率。

直接式锁相频率合成器构成如图13-2 所示。图中fR 为高稳定的参考脉冲信号（如晶体振荡器输出的信号），压控振荡器（VCO）输出经N 次分频后得到频率为fN 的脉冲信号。fR 和fN 在鉴相器（PD）进行比较，当环路处于锁定状态时，则：

数字锁相环频率合成器原理图如图13-3，35U02（4046）锁相环的功能框图如图13-4 所示， 35U02（MC14522）、35U03（MS14522）构成二级可预置分频器，35U02.35U03 分别对应着总分频比N 的十位、个位分频器。模块上的两个4 位红色拨动开关35SW01.35SW02 分别控制十位数、个位数的分频比，它们以8421BCD 码形式输入。拨动开关往上拨为“1”， 往下拨为“0”。使用时按所需分频比N 预置好35SW01.35SW02 的输入数据，例如N=7 时，35SW01 置“0000”，35W02 置“0111”；N=17 时，35SW01 置“0001”，35SW02 置“0111”。但是应当注意，当35SW02 置“1111”时，个位分频比N1=15，如果35SW01 置“0001”时， 此时的总分频比为N=25。因此为了计算方便，建议个位分频比的预置不要超过9。

当程序分频器的分频比N 置成1，也就是把35SW01 置“0000”，35SW02 置成“0001” 状态。这时，该电路就是一个基本锁相环电路。当二级程序分频器的N 值可由外部输入进行编程控制时，该电路就是一个锁相式数字频率合成器电路。

外引线排列管脚功能简要介绍: 

第1 引脚（PDO3）：相位比较器2 输出的相位差信号，为上升沿控制逻辑。 

第2 引脚（PDO1）：相位比较器1 输出的相位差信号，它采用异或门结构，即鉴相特性 为PDO1=PDI1PDI2 

第3 引脚（PDI2）：相位比较器输入信号，通常PD 为来自VCO 的参考信号。 

第4 引脚（VCOO）：压控振荡器的输出信号。 

第5 引脚（INH）： 控制信号输入，若INH 为低电平，则允许VCO 工作和源极跟随器输 出：若INH 为高电平，则相反，电路将处于功耗状态。 

第6 引脚（CI）： 与第7 引脚之间接一电容，以控制VCO 的振荡频率。

第7 引脚（CI）： 与第6 引脚之间接一电容，以控制VCO 的振荡频率。 

第8 引脚（GND）：接地。 

第9 引脚（VCOI）：压控振荡器的输入信号。 

第10 引脚（SFO）：源极跟随器输出。 

第11 引脚（R1）： 外接电阻至地，分别控制VCO 的最高和最低振荡频率。 

第12 引脚（R2）： 外接电阻至地，分别控制VCO 的最高和最低振荡频率。 

第13 引脚（PDO2）：相位比较器输出的三态相位差信号，它采用PDI1.PDI2 上升沿控制逻辑。 

第14引脚（PDI1）：相位比较器输入信号，PDI1输入允许将0.1V左右的小信号或方波信号在内部放大并再经过整形电路后，输出至相位比较器。 

第15引脚（VI ）：内部的齐纳稳压二极管负极，其稳压值V≈5～8V，若与TTL电 路匹配时，可以用来作为辅助电源用。 

第16引脚（VDD ）：正电源，通常选+5V，或+10V，+15V。

四、各测量点及可调元件的作用 

35SW01：分频比的十位数设置开关，以8421 BCD码形式输入。 

35SW02：分频比的个位数设置开关，以8421 BCD码形式输入。 

35P01：VCO输入参考信号铆孔，即相位比较器输入信号。 

35TP01：相位比较器输入信号，通常PD为来自VCO的参考信号。 

35P02：VCO压控振荡器的输出信号铆孔。 

五、实验内容及步骤 

1．插入有关实验模块 

在关闭系统电源的情况下，按照下表放置实验模块：

2．信号线连接 

使用专用导线按照下表进行信号线连接：

打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。 

5．实验内容设置 

使DDS信号源工作在“抽样”功能，即“D04D03D02D01”=0001，DDS信号源的抽样脉冲输出端（P09）默认输出10K的脉冲信号，占空比为50%。 

5．锁相环锁定状态测量 

（1）设35SW01=0000、35SW02=0001，35SW01.35SW02分别对应着总频比N的十位、个位分频器，则程序分频器的分频比N＝1。

（2）双踪示波器探头分別接至35P01.35P02，观测两点波形，两信号相位和频率完全一致则说明锁相环频率锁定； 

6．相位抖动（相位噪声）特性测量 

（1）调整示波器扫描宽度，使示波器宽度大约容纳1.5 个基准频率（25P01）波形， 观察频率锁定时两信号上升沿是否对齐。 

（3）仔细观察会发现，锁定后的信号（25P02）上升沿有抖动，测量其抖动时间长度， 并记录。 

（3）计算上升沿抖动与基准频率一个时钟周期的比值，该值的一半即为锁相环的时钟抖动。 

7．调整信号脉冲观测 

（1）用示波器分别观测35P01 和35TP01，其中35TP01 为锁相环的调整信号脉冲。 

（2）调整35SW01.35SW02 的值观察35TP01 的变化。 

（4）用示波器分别观测35TP01 和35P02，分析两个测量点之间的关系。 

8．捕捉带测量 

（1）用示波器分别测量35P01.35P02； 

（2）逐渐增大35SW01.35SW02 的值，观察35TP01 的变化。使N 分別等于2.3.5.10.20 等情况下，若35P01.35P02 处两波形同步，则表示锁相环锁定。并从示波器显示的波形， 或用频率计测量35P02 处信号频率，它应为输入信号频率的N 倍。锁相环锁定时， 即35P01 和35TP01 两侧量点的频率应相同，但两波形的占空比不相同。 

锁相环有一个捕捉带宽，当超过这个带宽时，锁相环就会失锁。本模块的最大输出频率 约等于 350KHZ，当 大于350KHZ 时，锁相环路将失锁。在测定最大分频比时， 与输入的参考频率有关。 

测出=10KHZ 最大分频比，其方法是： 

改变程序分频器的分频比，使它不断增大，若35P01.35P02 处两波形仍然同步，则表示锁相环锁定，求出最大的分频比N。（最小分频比N=1） 

9．锁相环其他性能测试 

锁相环性能指标包括同步带宽，捕捉带宽，相位噪声等，这些指标的测试，要求35P01 处（输入信号）外接频率可连续改变的信号源。测量方法请参考《现代通信原理习题解答及实验教程》一书(电子工业出版社 2008 年) 

10. 关机拆线 

实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。 

六、实验报告要求 

1．画出实验框图, 根据实验内容，画出N＝1.10.100 三种情况下相应波形，并作分析。

2．查找4046芯片资料，画出其常用电路，标明影响其振荡频率的外围器件，列出计算公式。 

3．查找4046芯片在5V工作电压下的最高振荡频率，改变输入参考信号的频率，验证你查得的资料数据。