实验三、白噪声信道模拟实验

实验三 白噪声信道模拟实验 一 实验目的 1 了解白噪声产生原因 2 了解多径干扰对信号的影响 二 实验内容 观察白噪声对信号的干扰 三 基本原理 在移动通信中 严重影响移动通信性能的主要噪声与干扰大致可分为 3 类 加性正态 白噪声 多径干扰和多址干扰 这里加性是指噪声与信号之间的关系服从叠加原理的线性关系 正态则是指噪声分布 遵从正态 高斯 分布 而白则是指频谱是平坦的 仅含有这类噪声的信道一般文献上称 为 AWGN 信道 这类噪声是最基本的噪声 非移动信道所特有 一般简称这类噪声为白噪 声 这类噪声以热噪声 散弹噪声及宇宙噪声为代表 其特点是 无论在时域内还是在频 域内它们总是普遍存在和不可避免的 热噪声是在电阻一类导体中 自由电子的布朗运动引起的噪声 导体中的每一个自由 电子由于其热能而运动 电子运动的途径 由于和其他粒子碰撞 是随机的和曲折的 即 呈现布朗运动 所有电子运动的总结果形成通过导体的电流 电流的方向是随机的 因而 其平均值为零 然而 电子的这种随机运动还会产生一个交流电流成分 这个交流成分称 为热噪声 散弹噪声是由真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起的 散弹噪声的物理性 质可由平行板二极管的热阴极电子发射来说明 在给定的温度下 二极管热阴极每秒发射 的电子平均数目是常数 不过电子发射的实际数目随时间是变化的和不能预测的 这就是 说 如果我们将时间轴分为许多等间隔的小区间 则每一小区间内电子发射数目不是常量 而是随机变量 因此 发射电子所形成的电流并不是固定不变的 而是在一个平均值上起 伏变化 总电流实际上是许多单个电子单独作用的总结果 由于从阴极发射的每一个电子 可认为是独立出现的 且观察表明 每 1 安培多平均电流相当于在 1 秒钟内通过约 6 1018 个电子 所以总电流便是相当多的独立小电流之和 于是 根据中心极限定理可 知 总电流是一个高斯随机过程 也就是说散弹噪声是一个高斯随机过程 宇宙噪声是指天体辐射波对接收机形成的噪声 它在整个空间的分布是不均匀的 最 强的来自银河系的中部 其强度与季节 频率等因素有关 实测表明 在 20 300MHz 的 频率范围内 它的强度与频率的三次方成反比 因而 当工作频率低于 300MHz 时就要考 虑到它的影响 实践证明宇宙噪声也是服从高斯分布律的 在一般的工作频率范围内 它 也具有平坦的功率谱密度 从通信系统来看 白噪声是最基本的噪声来源 但是从调制信道的角度来看 到达或 集中于解调器输入端的噪声并不是上述白噪声本身 而却是它的某种变换方式 通常是 一种带通型噪声 这是因为 在到达解调器之前 起伏噪声通常要经过接收转换器 而接 收转换器主要作用之一是滤出有用信号和部分的滤除噪声 因此 它可等效为一个带通滤 波器 它的输出噪声是带通型噪声 由于这种噪声通常满足 窄带 的定义 故常称它为 窄带噪声 又考虑到带通滤波器常常是一种线性网络 其输入端的噪声是高斯白噪声 因 此 它的输出窄带噪声应是窄带高斯噪声 四 实验原理 1 实验模块简介 本实验需用到基带成形模块 IQ 调制解调模块及信道模拟模块 2 1 基带成形模块 产生 PN31 伪随机序列作为信源 将基带信号进行串并转换 按调制要求进行基带 成形 形成两路正交基带信号 2 IQ 调制解调模块 产生调制及解调用的正交载波 完成射频正交调制及小功率线性放大 完成射频 信号正交解调 3 信道模拟模块 采用数字信号处理算法模拟白噪声 慢衰落及多径干扰三种信道 2 电路说明 IQ 调制模块输出的 10 7M 已调信号 送入信道模拟模块 首先进行降频理 将频率降为 1 5M 主要目的是为了 A D 采样及数字处理方便 1 5M 信号经信号 调理电路以适合 A D 采样 在 FPGA 时序电路的控制下 A D 芯片将模拟信号转 换为数字处理送入 FPGA 中进行处理 FPGA 中有四个独立的处理模块 分别是模拟信号采样控制及信号通道 白噪声产生 慢衰信号产生及信号多径时延模块 根据使用者选择的不同输出 不同的信号 当用户选择白噪声信道 FPGA 输出两路数字信号 一路是原信号 一路是 白噪声信号 经 D A 转换后变为两路模拟信号 两路信号可以分别进行幅度调 节 以满足试验需求 两路信号经加法器相加后成为白噪声干扰信号 送入混 频电路 将频率变回为 10 7M 送出 完成白噪声干扰 五 实验框图 六 实验步骤 1 在实验箱上正确安装基带成形模块 以下简称基带模块 IQ 调制解调模块 以下简称 IQ 模块 及信道模拟模块 以下简称信道模块 2 关闭实验箱电源 按如下方式连线 点击 查看连线 a 用台阶插座线完成如下连接 源端口 目的端口 连线说明 基带模块 PN31IQ 模块 I IN提供 PN31 伪随机序列 b 用同轴电缆线完成如下连接 源端口 目的端口 连线说明 IQ 模块 输出 J2 信道模块 输入将调制信号送入模拟信道中 检查连线是否正确 检查无误后打开电源 3 示波器探头接信道模块 AD 测试点 调节 AD 幅度 电位器 使 AD 处信号峰峰值为 1V 左右 4 按下 选择 键 选择白噪声信道 白噪 指示灯亮 5 用示波器观测 OUT2 测试点 调节 OUT2 幅度 电位器改变原始信号幅度 6 用示波器观测 OUT1 测试点 输出为白噪声信号 调节 OUT1 幅度 电位器幅度改变噪 9 2M 本本振振 9 2M 本本振振 OUT2 混混频频相相加加混混频频放放大大 SUMOUT1输输出出 A D原原信信号号D A 幅幅度度 调调节节 AD 噪噪声声产产生生D A 幅幅度度 调调节节 信信号号 调调理理 3 声信号的大小 7 将 OUT2 幅度 电位器顺时针旋到底 OUT1 幅度 电位器逆时针旋到底 用示波器观测 输出 点信号波形 此时信号输出幅度最大 无噪声输出 8 顺时针调节 OUT1 幅度 电位器 增大噪声信号 用示波器观测 输出 点信号波形 观 测噪声对信号的影响 七 实验结果及图片 1 信道模块 AD 测试点 AD 处信号峰峰值为 1V 左右 2 OUT2 测试点 3 OUT1 测试点 4 4 输出 点信号波形 注 此时未加入噪声 5 输出 点信号波形 注 此时有加入噪声 5 八 实验总结 通过本次实验使我了解了白噪声产生原因 了解了多径干扰对信号的影响 达到了语 预期的实验目的 本次实