BPSK解調(diào)方法研究

李素平，蔣全勝 （巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動化學(xué)院，巢湖238000）

由于信道的非理想性和高斯白噪聲，信號在傳輸過程中畸變，使信息傳輸錯誤。通信系統(tǒng)中，通常用誤碼率來表示其性能［1－2］，通信質(zhì)量通常取決于系統(tǒng)的接收性能。

1 BPSK接收的基本原理

BPSK （Binary Phase Shift Keying，二進制相移鍵控）信號的接收采用數(shù)字解調(diào)之外，還可根據(jù)數(shù)字信號的最佳接收原理，采用相關(guān)接收方法和匹配濾波法［3－4］。BPSK信號的接收分為以下幾種：

圖1 相干解調(diào)原理框圖

1.1 相干解調(diào)方法

BPSK的相干解調(diào)法由于其結(jié)構(gòu)簡單，成為通信中最常用的解調(diào)方式。輸入已調(diào)信號經(jīng)過帶通濾波器，濾除帶外噪聲，然后與本地載波相乘，經(jīng)低通濾波器和抽樣判決器實現(xiàn)解調(diào) （見圖1）。

1.2 相關(guān)接收法和匹配濾波法

通信系統(tǒng)中，將誤碼率最小作為最佳接收的準(zhǔn)則，輸出信號在信噪比最大的抽樣時刻誤碼率最小。在線性濾波中，將每個抽樣時刻上使輸出信噪比最大的線性濾波器稱匹配濾波器［5］。因此，匹配濾波器可得到最小誤碼率的輸出信號。相關(guān)接收和匹配濾波2種方法在理論上能達到相同的接收效果，匹配濾波器接收方法對定時的精度要求極高。但是相關(guān)接收即使有點偏差，也不會有太大影響［6－8］。

2 仿真試驗

下面分別討論上述3種方法對于頻帶信號的接收情況，頻帶信號采用BPSK信號。

2.1 頻帶信號的相干解調(diào)

圖2 頻帶信號相干解調(diào)法仿真圖

使用隨機數(shù)作為信源，用sign函數(shù)，查表函數(shù)對波形進行整形，變成矩形波，再用乘法器與正弦函數(shù)實現(xiàn)調(diào)制。已調(diào)信號與調(diào)制信號同頻同相的正弦波相乘，再經(jīng)過以積分器、矩形波和符號函數(shù)組成的抽樣判決器實現(xiàn)解調(diào)輸出 （見圖2）。其中，調(diào)制信號的周期為1s，幅度為1。相干解調(diào)后波形圖如圖3所示，第1路信號為源信號，第2路信號為解調(diào)后信號。由于是在信號的中間時刻進行抽樣，故而會有一排抽樣線。解調(diào)后波形與源輸入信號相同，很好的驗證了所設(shè)計的相干解調(diào)仿真圖的正確性。

2.2 頻帶信號的相關(guān)接收

使用矩形波作為信號源，用2路反向正弦信號作為載波，使用鍵控法實現(xiàn)BPSK調(diào)制。已調(diào)BPSK信號與2路反相的正弦信號相乘再經(jīng)過由積分器和矩形脈沖組成的相關(guān)接收系統(tǒng)，實現(xiàn)頻帶信號解調(diào)輸出 （見圖4）。矩形脈沖作為抽樣判決，當(dāng)有上升沿時，積分器開始積分。周期為1s，占空比為50%。由圖5可知，第1路為解調(diào)前的信號，第2路為解調(diào)后的信號，解調(diào)前后波形相同，很好的驗證了所設(shè)計的相關(guān)接收仿真圖的正確性。

圖3 相干解調(diào)前后波形圖

圖4 頻帶信號相關(guān)接收法仿真圖

2.3 頻帶信號的匹配濾波接收

采用鍵控法實現(xiàn)調(diào)制，然后經(jīng)由積分器、延時器，取反器和加法器組成的兩路匹配濾波器實現(xiàn)解調(diào) （見圖6）。延時器的延時為0.5s。由圖7可知，第1路信號為載波信號，用第2路信號為原信號，第3路信號為解調(diào)后的信號。解調(diào)前后波形相同，很好的驗證了所設(shè)計的匹配濾波仿真圖的正確性。

圖5 相關(guān)接收波形圖

圖6 頻帶信號的匹配濾波接收法仿真圖

3 數(shù)字信號的傳輸質(zhì)量分析

采用誤碼率表示信號的傳輸質(zhì)量，在相同輸入信噪比的條件下，對BPSK的3種接收方式進行誤碼率計算如表1所示。

圖8表示的是在相同輸入信噪比條件下，信噪比與誤碼率的關(guān)系。由仿真試驗可以看出，相干解調(diào)方法只能接收已調(diào)頻帶信號。而相關(guān)接收和匹配濾波方法不僅可以接收已調(diào)頻帶信號還可接收基帶信號。由誤碼率試驗數(shù)據(jù)可知，相關(guān)接收和匹配濾波，在相同的信噪比且載波幅度為1的條件下，相對于相干解調(diào)，具有較低的誤碼率。在相同的信噪比載波幅度為2時，相對于相干解調(diào)，相關(guān)接收和匹配濾波具有較高的誤碼率 （見表2）。由此可知，相干解調(diào)的誤碼率受外界干擾較大，而相關(guān)接收和匹配濾波對噪聲的魯棒性較好。

圖7 匹配濾波接收波形圖

表1 載波幅度為1時的誤碼率

表2 載波幅度為2時的誤碼率

在數(shù)字通信中，最佳接收器一定要能夠抵抗外界環(huán)境的變化，具有較高的魯棒性［9－10］。試驗也驗證了，相關(guān)接收法和匹配濾波法比相關(guān)解調(diào)具更穩(wěn)定的解調(diào)效果。

4 結(jié) 語

研究了BPSK的最佳接收，在傳統(tǒng)相干解調(diào)方法之外，提出了匹配濾波法和相關(guān)接收法。通過仿真分析得出，相關(guān)接收法和匹配濾波法具有更穩(wěn)定的接收性能和更強的魯棒性。而且，相干解調(diào)法只能接收已調(diào)信號，而相關(guān)接收法和匹配濾波法可接收已調(diào)頻帶信號也可傳輸基帶信號。此外，匹配濾波法對定時精度要求較高，而相關(guān)接收法即使在定時稍有偏差的情況下，影響也不大。

圖8 信噪比與誤碼率關(guān)系圖

［1］張立軍，錢學(xué)榮，張宗橙，等 .通信原理 ［M］.南京：高等教育出版社，2008：1－14，175－195.

［2］樊昌信，曹麗娜 .通信原理 ［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011：5－14，188－207，299－317.

［3］黃正.BPSK，QPSK及其解調(diào) ［J］.衛(wèi)星通信，2003，103：43－44.

［4］.王秉鈞，馮玉珉，田寶玉 .通信原理 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006：311－318.

［5］徐家愷，沈慶宏，阮雅端 .通信原理教程 ［M］.北京：科學(xué)出版社，2007：295－313.

［6］王飛，司錫才，于俊蓮 .數(shù)字匹配濾波器的設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，26（3）：351－352.

［7］蔣青，于秀蘭 .通信原理 ［M］.重慶：人民郵電出版社，2008：150－180.

［8］唐向宏，岳恒麗，鄭雪峰.Matlab及在電子信息類的課程中的應(yīng)用 ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：279－299.

［9］戚新波，劉宏飛，鄭先鋒，等 .電路的計算機輔助分析——Matlab與pspice應(yīng)用技術(shù) ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：111－128.

［10］邵玉斌.Matlab／Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008：146－199.