基于SystemView仿真下的眼图分析

【摘  要】理论上，只要基带发送功能满足奈奎斯特准则，就可以消除符号间的干扰。然而实际上，由于如符号之间的干扰和传输、接收滤波器特性、信道特性等因素，系统性能可能无法达到预期的目标。为了优化系统性能，除使用特殊工具外，实验者还希望在调试和维护过程中进行测试，可以使用工具和简单方法来测量整个通信系统的性能。眼图分析方法是广泛使用的实验方法。

【Abstract】In theory， as long as the base-band transmit function satisfies the Nyquist criterion， inter-symbol interference can be eliminated. However， in practice， the system performance may not achieve the desired goal due to factors such as inter-symbol interference and transmission， receive filter characteristics， channel characteristics， etc. In order to optimize the system performance， in addition to using special tools， the experimenter wants to test during commissioning and maintenance， and can use tools and simple methods to measure the performance of the whole communication system. The eye pattern analysis method is a widely used experimental method.

【关键词】眼图;仿真;码间串扰

【Keywords】eye pattern; simulation; inter-symbol interference

【中图分类号】TP391.9                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）03-0167-02

1 基带传输的基本原理

在实际的通信系统中，很难完全消除码之间的串扰。这主要是由于传输过程中传输系统的信号不稳定所致，使得波形存在变形、展宽，而且之前波形会出现长的拖尾现象，到观察码元的抽样时间点上，识别器会对结果出现错误判决。对误码率的影响现在还没有找到数学上能处理的统计规律，还无法在这方面进行针对性的计算。码间串扰如图1所示。

为了在实验室中测量基带传输系统的性能，使用示波器观察接收信号的常用方法是将示波器连接到接收滤波器的输出端，然后调整示波器的水平扫描周期以匹配示波器的水平扫描周期，与接收的符号周期和持续效果同步。用于扫描的示波器的波形重叠，并且示波器屏幕上显示的结果看起来像人眼，这就是将其称为“眼图”的原因。分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。基带信号与眼图如图2所示。

眼图是通过在示波器上叠加特定的数字信号而显示的图，它包含很多信息。噪声的影响以及符号之间的对话在眼图中可见。这些效果反映了数字信号的一般属性，因此，评估了整个系统的优缺点。所以眼图分析是高速互连系统信号完整性分析的核心。此外，眼图还可以用于调整接收滤波器的属性，以减少符号之间的串扰效应，并改善整个通信系統的传输性能。

眼图张开的大小反映了码间串扰的强弱。眼睛越大，眼图越正确，符号之间的距离越小，反之符号之间的距离越大。如果发生噪声，则噪声会叠加在信号上，眼图的轨迹会变得模糊。如果有拦截码，“眼睛”或多或少会张开。与代码之间没有交集相比，原始的细轨道明显平滑且变成模糊的条纹，并且标准化程度不高。噪声越大，轨道越宽、越深，代码之间的交点越大，眼图的校正越少。

眼睛中的图像包含大量有价值的信息，可用于衡量数字信号传输系统性能的好坏，它可以显示接收过滤器的设置，以减少代码之间的间隔。眼图如图3所示。

①最佳采样时刻是眼睛张开最大的时间。②对时间误差的敏感度可以通过图表的斜边斜率来确定。③在采样期间，眼图上方和下方的阴影部分的垂直高度反映了信号的最大失真。④眼图中心水平轴的位置应与阈值决定的水平一致。⑤在采样时，从最接近阈值的顶部和底部分支轨迹到阈值的距离表示每个相应级别的噪声容限。噪声容限越大，电路的抗干扰性就越好。如果瞬时值超过噪声容限值就可能发生误判。⑥零交叉点实现了与时间接收信息系统的同步。眼图的对角分支与水平轴相交的区域的大小将替换为零区域，在许多设备中，从信号零的位置提取时间同步信息，这对于该设备的零点失真非常重要。

图4为眼图的原理方框图，基带信号进入发送滤波器滤波，滤波后的信号在信道传输的过程中会有噪声加入，所以在接收端还要滤波，滤波后的信号通过实验方法测出。

2 软件仿真

本文通过SystemView仿真软件建立了眼图的形成模型，如图5所示。0号是发送伪随机码的信源，2号是发出噪声的噪声源，通过1号将噪声加入基带信号，3号是低通滤波器，1、2、3号用来模拟频带受限的有扰信道，4号是抽样器用来调整输出采样频率以配合接收计算器来观察眼图。

运行仿真后，首先看到的是信道无干扰时的眼图，所示的线迹是细而清晰的大眼睛，如图6所示。它的最佳抽样点、门限电平、噪声容限等都可以测量出来。通过这样的信道发送出去的信号与接收的保持一致，就相当于人们用手机通话，你说的话对方听得很清楚，甚至周围环境的声音也可以听清楚。

图7是在信道中加入了噪声，运行后可以看到眼图的眼睛张开的幅度变小，这是由于噪声叠加在信号上，轨迹会变得模糊，会变大，因此，轨迹就不存在了，但是代码和眼图之间仍然没有差距。

图8改变了信道的带宽，传输系统与代码之间的互锁条件不匹配，所观察到的眼睛轨迹较差且模糊，并且眼睛很小，且眼图不端正。

3 结语

通过以上三种情况的仿真运行，我们看到的是三幅眼图的集中对比，可以很明显看出无码间串扰的眼图和下面加入噪声以及有码间串扰的眼图间的不同，由此可以分析出基带信号传输过程存在的问题以及从何处可以改善。

所以可以利用眼图的大小来衡量和比较基带信号传输性能的好坏，并利用它来调节信道的传输特性，让信号在系统信道中尽量接近最佳工作状态。

【参考文献】

【1】张会生，张捷，李立欣.现代通信系统原理[M].北京：高等教育出版社，2011.

【2】张会生，赵瑄，孟昭红.通信原理实验教程[M].西安：西北工业大学出版社，2017.