利用眼图了解数字音频信号传输系统性能

摘 要

本文对眼图形成原理及眼图的测试方法进行了介绍，并阐述了它在数字音频信号传输系统维护中所起到的主要作用。

【关键词】数字音频信号眼图传输系统

1 前言

无线局大功率广播发射台站的主要作用是：利用中短波广播发射机实现对音频信号的远距离传输。发射机的音频调制信号来源较多，通常接收数字卫星广播信号，经解码、解复用后，由数字音频传输系统送到各大功率调幅广播发射机的低频输入端，作为调制信号，经D/A转换后，由广播发射机进行幅度调制发送至各服务区。数字音频信号的传输质量，直接影响着发射机的播出效果。

为了能够优化节目传输质量性能，提高节目收听效果，充分了解数学音频信号传输性能，维护好数字音频信号的传输链路是安全传输发射的一项重要任务。而眼图无疑是评估数字通信链路质量最有效、简单的方法之一，它会在很大程度上将数字传输信道上各类参数展示在我们眼前。通过眼图我们可以对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰，改善系统的传输特性。通过眼图，我们还可以估计系统的防噪声能力和信道受到噪声干扰的情况。

2 数字信号的基带传输

数字音频信号首先是数字信号，它的传输系统包括了基带传输和载波传输。数字基带信号都是矩形波形，在研究频谱时常常只画出能量最集中的频谱范围，但这些基带信号在频域内实际上是无穷延伸的。如果直接采用矩形脉冲的基带信号作为传输码型，由于实际信道的频带都是有限的，则传输系统接收端所得的信号频谱必定与发送端不同，这就会使接收端数字基带信号的波形失真。因此常采用滤波器产生出平滑波形进行传输。

如图1所示：数字基带信号的产生过程可分为码型编码和波形形成两步。码型编码的输出信号为δ脉冲序列，波形形成网络的作用则是将每个δ脉冲转换为一定波形的信号。

根据奈奎斯特第一准则 ：当数字信号通过传输系统时，接收波形满足抽样值无失真传输的充要条件是仅在本码元的抽样时刻上有最大值，而对其他码元的抽样时刻信号值无影响，即在抽样点上不存在码间干扰。也就是说：如果信号经传输后整个波形发生了变化，但只要其特定点的抽样值保持不变，那么用再次抽样的办法，仍然可以准确无误地恢复出原始信码，因为信息完全携带在抽样幅度值上。

因此，在大多数有线传输情况下，信号频带不是陡然截止的，而且基带频谱也是逐渐衰减的，这与设计时所确定的滚降系数有关，如图2所示：当输入端信号为“1”时，其输出波形如图2（a）所示，该码元y（t）只要在t0时刻为判决时刻，就能恢复出信号，在下一个码元判决时刻t0+Tb到来时为0，就不会造成串扰。

3 眼图的形成及其测量

尽管数字信号的传输相对于模拟信号而言，有极大的优势，但要使其达到理想的传输特性任然是很困难的，甚至是不可能的，因为码间串扰和噪声对系统的影响无法彻底消除。

为了对系统性能有一个直观的了解，可利用示波器，再现码元传输效果，从而对系统性能进行估计，这就是眼图法，示波器所获图形即为眼图。

具体做法如下：取一台带有时域分析功能的示波器，将待测信号加到该示波器的输入端，同时把位定时信号作为扫描同步信号，也可以调整示波器的水平扫描周期，使示波器的扫描周期与接收码元的周期同步。从而估计出系统性能的优劣。对于二进制数字信号而言，示波器的图形与人眼想象，所以称为“眼图”。利用带时域分析的示波器，使用连续比特位的眼图生成方法，能快速测量眼图和抖动。如图3所示，第一步示波器采集到一长串连续的数据波形；第二步，使用软件恢复时钟，用恢复的时钟切割每个比特的波形，最后一步是把所有比特重叠，得到眼图。

眼图显示了数据波形图可能取得的所有瞬时值，在完全随机输入情况下，各个波形叠加后会在眼图中形成若干眼孔，眼孔的开启状况能充分说明传输信号的质量，在有符号间干扰和噪声的情况下，眼图由许多有一定偏移的线条组成，看起来犹如构成眼图的线条变宽了，这等效于眼图聚焦点扩散，水平和垂直方向眼睛的张开程度都减小了。在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，眼开启的最大，当有码间串扰时，波形失真，引起眼部分闭合。若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得模糊，眼开启的小了，因此，眼张开的大小表示失真的程度。由此可知，眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响，可评价一个传输系统性能的优劣。当把眼图抽象为一个模型时，可以由眼图获得以图4信息：

（1）最佳抽样时刻应选在眼图张开最大的时刻，此时的信噪比最大。

（2）眼图斜边的斜率反映出系统对定时误差的灵敏度、斜边越陡，对定时误差越灵敏，对定时稳定性要求越高。

（3）在抽样时刻，上下两个阴影区的高度称为信号失真量，它是噪声和码间串扰叠加的结果，当码间串扰十分严重时，眼睛会完全闭合，此时信息码元无法经过抽样判决准确恢复，因此必须对码间串扰进行纠正。

4 眼图在数字音频信号传输中的作用

在基层台站中，我们从卫星接收天线接收数字音频信号，在远离接收端的发射机房，我们采用光传输系统进行传输，在离接收端较近的发射机房，采用数字音频电缆进行传输。系统中涵盖了光传输、电传输等设备。随着使用时间的推延，设备和线路的老化，元器件性能发生变化等原因，势必造成系统性能有所下降，这时候对系统建立一套行之有效的测试，分析方法将对系统的维护，保证信号的有效传输起到重要的作用。而利用眼图测量法，是检验系统传输性能最简便及行之有效的方法之一。

我们知道，在数字音频信号的传输中，主要的测试指标有：数字信号的幅值；传输阻抗、信号延时、抖动等。在实际应用中，传输系统异常的表现形式多种多样，但最本质的表现均为数字音频信号的传输误码。

通过眼图的张合，可以判断传输系统误码率程度，从而采取有效措施，提高传输质量。

数字信道的干扰主要有加性干扰和乘性干扰。加性干扰表现在眼图上，主要改变图形的纵向张合度，它往往是由于地阻抗耦合、漏电流等因素产生的干扰，叠加在了信号上。此时，可能是因为线路老化引起，可加强屏蔽、接地、隔离、滤波或更换传输线，加强线间转换匹配等方法加以抑制。而由于传输线的衰减、时延和阻抗失配等因素引起的反射干扰和码间干扰将使信号眼图产生畸变，这类信号称为乘性干扰，它往往使码元间产生抖动。此时可以观察：周期性抖动，常来自于开关电源和串扰，而随机抖动，可考虑基准时钟和锁相环PAL电路。

通过对传输线路的分段测量和定期测量所得基础数据的积累和比较，可以更准确地掌握传输设备的运行规律，从而进一步总结维护经验。

5 结束语

在实际使用中，大多数数字音频信号的传输异常故障，通过示波器，利用眼图的日常测量可以预防，同时，我们也可以利用眼图，了解系统的传输性能是否有所下降，并及时加以处理，从而保证了信号传输的高品质。

参考文献

[1]张卫纲.通信原理与通信技术[M].西安电子科技大学出版社，2003.

[2]李建兴.现代通信系统与仿真[M].机械工业出版社，2005.

[3]陈丽华.基带传输系统及其误码分析[J].南平师专学报，2008.