一、实验目的
1.掌握眼图观测方法；
2.学会用眼图分析通信系统性能；
二、实验原理
1.什么是眼图?
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。
在下图眼图示意图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)。
在图中可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。眼图中央的垂直线表
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。
(a)无码间串扰时波形；无码间串扰眼图
(b)有码间串扰时波形；有码间串扰眼图
2.眼图参数及系统性能
眼图的垂直张开度表示系统的抗噪声能力，水平张开度反映过门限失真量的大小。眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当信道信噪比很大时眼图的张开度主要受码间干扰的影响，因此观察眼图的张开度就可以评估系统干扰的大小。
其中，垂直张开度 
;水平张开度
。
从眼图中我们可以得到以下信息：
（1）最佳抽样时刻是“眼睛”张开最大的时刻。
（2）眼图斜边的斜率表示了定时误差灵敏度。斜率越大，对位定时误差越敏感。
（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。
（4）眼图中央的横轴位置应对应于判决门限电平。
（5）在抽样时刻上，眼图上下两阴影区的间隔距离的一半为噪声容限，若噪声瞬时值
超过它就会出现错判。
（6）眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，即过零点失真的变动范围；它对利用信
号零交点的平均位置来提取定时信息的接收系统来说影响定时信息的提取。
3.实验中眼图观测方法
在早期观测通信系统眼图时，一般会选择模拟示波器，由于其工作原理的原因，其波形余辉会在屏幕（荧光屏）上保留一段时间，观测到的眼图的其实是多次余辉叠加的效果呈现。
将示波器的通道1观测基带时钟（实验中为2TP8），并用该通道作为同步通道；另一通道测信道传输后的信号（实验中为4TP2），作为观测眼图效果的通道。另外需要将示波器显示（一般在示波器display按钮菜单下）保持时间选择到1s左右。
4.实验框图及功能说明
实验框图说明
框图说明：
本实验中需要用到以下1个功能单元：
(1)数字调制单元A4）
在本实验中，将基带信号设置为：“511-PN”，“32K”；其中基带信号从2P6输出，基带信号时钟从2TP8输出。为了便于眼图的观测，实验中用2TP8时钟作为同步信道；
5.框图中各个测量点说明
⚫2P6：基带数据输出；
⚫2TP8：基带时钟输出；
⚫4VT11：成型输出；
⚫4TP2：加噪后信号输出；
三、实验任务
1.成型信号观测；
2.无噪声模拟信道眼图观测；
3.有噪声模拟信道眼图观测
四、实验内容及步骤
1.实验准备
(1)获得实验权限，从浏览器进入在线实验平台；
(2)选择实验内容
使用鼠标在通信原理实验目录选择：眼图观测与判决再生实验，进入到眼图实验页面。
2.成型信号观测
将基带信号设置为：“511-PN”，“32K”；用示波器一个通道观测2P6基带信号，另一通道观测4VT11成型输出，选择不同成型滤波器，在示波器上观测成型前后的时域信号；
图1 选择高斯滤波器观测到的成型前后的时域信号
图2 选择根升余弦滤波器观测到的成型前后的时域信号
图3 选择升余弦滤波器观测到的成型前后的时域信号
用示波器FFT功能，观测上述成型信号频谱，并定性比较成型前后信号带宽；
图4 成型前信号频谱
图5 经高斯滤波成型后的信号频谱
图6 经根升余弦滤波成型后的信号频谱
图7 经升余弦滤波成型后的信号频谱
由图4.5.6可见，在成型之前，信号的频谱通常较为宽泛，包含较多的高频分量。成型后的信号其高频分量被削减，因此频谱带宽会变窄。成型滤波的目的是减少码间串扰和抑制高频噪声，同时在频谱范围内优化信号的能量分布。
3.无噪声模拟信道眼图观测
(1)模式设置及示波器调节
鼠标单击“基带设置”按钮，将基带数据设置为：“511-PN”，“32K”。
使用示波器通道1观测基带数据时钟2TP8，并作为同步通道，将示波器显示保持（display按钮菜单下）调整到1s左右。示波器通道2观测经过成型后的信号4VT11;调整示波器状态，将眼图波形调整到比较好的状态（效果为：在屏幕上仅显示一个张开饱满的眼）。
(2)眼图观测及信道参数调节
选择不同成型方式，并观察眼图的变化；
图8 经高斯滤波成型后的眼图
图9 经根升余弦滤波成型后的眼图
图10 经升余弦滤波成型后的眼图
4.有噪声模拟信道眼图观测
(1)示波器观测信道经噪声信道后的眼图
保持示波器之前的设置，使用示波器通道1观测基带数据时钟2TP8，并作为同步通道，示波器通道2观测经过模拟信道和噪声信道后的信号4TP2；
(2)信道加噪眼图观测
用鼠标解调图17-4旋钮，进行增减噪声，观测眼图变化（主要是观测眼皮厚度变化）；根据观测到的眼图效果，理解噪声对码元判决再生的影响；
图11 经高斯滤波成型后并加入10噪声的眼图
图12 经高斯滤波成型后并加入20噪声的眼图
图13 经高斯滤波成型后并加入20噪声的眼图
由此可见，眼皮厚度随着噪声的增加而增加。因为噪声的增加会导致信号电平在理想状态的基础上发生随机偏移（上下抖动）。垂直方向的抖动会使眼图的轨迹变厚，表现为眼图厚度增加。这是由于噪声叠加导致信号幅度偏离理想值。水平方向的抖动会造成时间上的抖动，影响采样点的准确性，进一步加剧误码率。
所以噪声会导致接收端对信号判决时出现错误，例如，若信号幅度受噪声影响超出阈值范围，可能将"1"误判为"0"，或"0"误判为"1"。由噪声引起的水平抖动会导致采样时刻偏离最佳位置，从而错过正确的信号电平。
5.恢复判决观测
（1）示波器观测恢复后信号5TP3波形，对比基带信号，观测恢复信号与基带信号差别并分析原因。
图14 恢复信号与基带信号波形
由图14可见，恢复信号与基带信号波形除了有时间延迟以外，几乎没有差别。原因是噪声较小，且判决电平参数也设置的合理。
（2）在步骤（1）的基础上，示波器另两路探头一路连接5TP1，一路连接5TP6，调整判决电平参数，观测判决电平对恢复信号的影响，分析原因。
图15 判决参数为134时的示波器显示图
图16 判决参数为87时的示波器显示图
图17 判决参数为147时的示波器显示图
由图15.16.17可知，判决电平过高时接收端会更多地将实际“1”的信号误判为“0”，即误码率增加。因为判决电平设置过高，信号的高电平部分可能无法超过该阈值，导致“1”信号被误判。判决电平过低时，接收端会更多地将实际“0”的信号误判为“1”，导致误码率增加。因为判决电平过低时，信号的低电平部分可能被认为超过了阈值，从而导致错误判决。判决参数接近134时，恢复信号的“0”和“1”更加准确，误码率降低。
6.实验结束，
关闭电源，从浏览器退出在线实验平台。
五、实验报告要求
1．完成实验测量，并记录实验中波形及测量数据；
2．叙述眼图的产生原理以及它的作用；
眼图是利用示波器的存储功能，将数字信号在一定时间间隔内的多个波形叠加在一起形成的。这种叠加会显示出信号的关键特性，包括其幅度、抖动、噪声以及码间串扰等信息。示波器的扫描频率设定为输入信号的码元周期的整数倍，信号的多个码元周期在示波器上重叠，从而形成类似“眼睛”的图形。
眼图的作用，首先是分析通信系统性能，通过观察眼图开口的大小和清晰度，可以判断信号是否易于恢复和解码。其次，眼皮厚度反映了信号的抖动和噪声水平。厚度增加说明噪声或信号波动较大，需要优化信号传输链路。然后，眼图还可以评估码间串扰，如果眼图开口明显闭合，说明码间串扰较严重。另外，眼图还能帮助我们优化滤波器设计，眼图可以帮助分析成型滤波器的效果。如果眼图开口不够清晰，可以调整滤波器的参数（如滚降因子）以优化系统性能。
3．测量和计算实验中眼图的特性参数，评估系统性能。
由图8可知，眼图开口高度大，误码率低。眼图中间开口的宽度大，信号对采样抖动和相位噪声的容忍度高。上升时间和下降时间短，信号边沿清晰，误码率小。眼皮厚度小，说明噪声和幅度稳定，信号质量高。综上，图8的系统性能好。
六、实验课后思考
1.眼图在通信系统中有什么意义。
（1）直观反映系统信号质量
眼图是通过将多个周期信号叠加显示在示波器屏幕上形成的，能够清晰地展示信号的幅度、时间抖动和噪声水平等信息。开口高度和开口宽度直观地显示了信号的抗噪声能力和采样时刻的稳定性，便于观察信号在传输过程中是否失真。
（2）用于评估误码率
眼图的形状和特性参数与误码率直接相关。开口越大、抖动越小、眼皮越薄，误码率越低。根据眼图的开口大小，可以快速估算通信系统的误码率性能，而无需逐一统计错误码元。
（3）分析码间串扰
眼图的闭合程度可以反映码间串扰的程度。开口宽度的缩小表明码间串扰较为严重，导致采样时刻的不确定性。通过眼图分析，可以优化成型滤波器设计或调整系统参数，减少ISI的影响。
（4）优化判决门限
在实际通信系统中，判决门限位置会直接影响误码率。通过眼图的对称性观察，可以调整判决门限，使其位于信号幅度变化的最佳位置，从而降低误码率。
眼图在通信系统中意义重大，是评估和优化系统性能的核心工具。通过对眼图的观察和分析，可以全面了解系统信号传输的质量、噪声水平、误码率和其他关键性能指标，从而为通信系统的设计和调试提供重要依据。
标签：眼图,基带,噪声,示波器,实验,信号,成型,观测 From： https://blog.csdn.net/Xinggfuu/article/details/144009149