基于SystemView的單載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)性能對(duì)比

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院電子系 張之越

?

基于SystemView的單載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)性能對(duì)比

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院電子系 張之越

【摘要】本文對(duì)比介紹了單載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)BPSK與2DPSK，QPSK與OQPSK的性能，并在SystemView平臺(tái)上分別構(gòu)建了各技術(shù)的調(diào)制解調(diào)模型。通過(guò)使用分析窗口和接收計(jì)算器，對(duì)比觀察了各系統(tǒng)抗噪聲性能和頻譜。驗(yàn)證了在相同信噪比條件下，BPSK誤碼率小于2DPSK和QPSK，QPSK誤碼率與OQPSK相同，但BPSK頻譜利用率低于QPSK的結(jié)論。最后給出了建議。

【關(guān)鍵詞】單載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)；誤碼率；頻譜利用率；SystemView

數(shù)字通信技術(shù)由于其易于實(shí)現(xiàn)、性價(jià)比高、抗干擾性強(qiáng)等多種優(yōu)勢(shì)取代了模擬通信技術(shù)成為現(xiàn)代通信技術(shù)的主流，而單載波調(diào)制技術(shù)BPSK、QPSK是現(xiàn)代通信技術(shù)中比較重要的調(diào)制方式。隨著電子設(shè)計(jì)EDA的興起，我們利用SystemView軟件能高效地實(shí)現(xiàn)多種通信系統(tǒng)的仿真以做到實(shí)際系統(tǒng)的可行性研究及優(yōu)劣性對(duì)比。SystemView作為一種通信系統(tǒng)仿真軟件，由于其操作簡(jiǎn)單、模塊化編程、界面友好，逐漸成為通信專業(yè)人士的仿真工具。其內(nèi)置的接收計(jì)算器，擁有復(fù)合快速傅里葉變換、頻譜分析及各種分析窗圖等強(qiáng)大功能，以便使用者進(jìn)行復(fù)雜的通信系統(tǒng)分析和處理［1］。本文將以各種通信系統(tǒng)為例詳細(xì)說(shuō)明如何利用SystemView構(gòu)建各個(gè)系統(tǒng)并分析。

1　單載波調(diào)制技術(shù)性能

1.1BPSK、2DPSK性能對(duì)比

已知2PSK信號(hào)相干解調(diào)系統(tǒng)總誤碼率：

在2DPSK相干解調(diào)系統(tǒng)中，設(shè)碼反變換器的輸入誤碼率為Pe，則輸出碼元發(fā)生錯(cuò)碼的概率為：

將1式帶入2式可求得2DPSK信號(hào)采用相干加反變換器解調(diào)時(shí)的誤碼率是。當(dāng)系統(tǒng)為大信噪比時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為：

根據(jù)公式（3）可得最終結(jié)論，BPSK和2DPSK采用相干解調(diào)方式時(shí)，BPSK的誤碼率僅為2DPSK誤碼率的一半。換言之，在此種相干解調(diào)方式下，BPSK的抗噪聲性能更好。

1.2QPSK、OQPSK性能對(duì)比

根據(jù)BPSK的相干解調(diào)誤碼率公式1，用r/2替代上述公式的r，則誤碼率為。其正確概率是，所以QPSK信號(hào)的解調(diào)錯(cuò)誤率為。在QPSK調(diào)制體制中，相鄰碼元的相位差都過(guò)大。為減小這種相鄰碼元相位差過(guò)大而導(dǎo)致的相位突變所引起的包絡(luò)起伏，引入OQPSK。這種減小相位突變的方法是，將a、b兩路信號(hào)錯(cuò)開半個(gè)碼元，以使突變相位最大只能為90°來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于相位跳變相對(duì)較小，其頻譜特性要優(yōu)于QPSK。并且OQPSK對(duì)頻帶加寬和邊瓣等有害現(xiàn)象不敏感，所以O(shè)QPSK能得到高效率的放大［2］。OQPSK的系統(tǒng)抗噪聲性能與QPSK一樣，擁有相同的功率譜。

2　基于SystemView的仿真設(shè)計(jì)

2.1BPSK、2DPSK系統(tǒng)仿真

BPSK系統(tǒng)搭建如圖1所示。Token24是幅值為1，頻率500Hz的PN偽隨機(jī)序列。將其作為調(diào)制信號(hào)與Token13，即幅值為1，頻率為5KHz的正弦載波相乘得到BPSK已調(diào)信號(hào)。通過(guò)Token17的加法器與Token16，std-deviation參數(shù)為100e-3的高斯白噪聲相加來(lái)模擬有擾信道的加性噪聲。至此，模擬發(fā)射調(diào)制過(guò)程全部完成。解調(diào)采用相干解調(diào)法，首先通過(guò)Token18上截止頻率為7KHz，下截止頻率為3KHz的切比雪夫帶通濾波器濾初雜波。之后與跟本地載波同頻同相的正弦波相乘實(shí)現(xiàn)解調(diào)。再經(jīng)過(guò)Token22低通截止頻率為3KHz的巴特沃斯濾波器濾除高頻載波。最終通過(guò)抽樣判決、保持得到最終波形。Token28、29、71的采樣頻率為5KHz。系統(tǒng)采樣頻譜40KHz，采樣點(diǎn)數(shù)4096，運(yùn)行時(shí)間102.375e-3s，循環(huán)次數(shù)4次。

圖1　BPSK調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)

2DPSK系統(tǒng)是通過(guò)差分編碼，即使用相對(duì)碼而非絕對(duì)碼來(lái)編碼的。所以，在本仿真系統(tǒng)中加入Token37異或運(yùn)算器進(jìn)行差分編碼。通過(guò)將采樣后的源信號(hào)延遲一個(gè)碼元，再與源信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算即模二加，將相對(duì)相移儲(chǔ)存在編碼中。2DPSK系統(tǒng)如圖2所示。為了方便比較，系統(tǒng)參數(shù)及其它各模塊參數(shù)與BPSK完全相同。解調(diào)方式采用DPSK差分相干解調(diào)法，將通過(guò)帶通濾波器的信號(hào)經(jīng)過(guò)Token66延遲一個(gè)碼元周期T，再與原信號(hào)相乘完成相干解調(diào)。

圖2　2DPSK調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)

2.2QPSK、OQPSK系統(tǒng)仿真

QPSK系統(tǒng)搭建如圖3所示。實(shí)現(xiàn)QPSK的基本想法是，通過(guò)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)BPSK調(diào)制信號(hào)相加，既可得到QPSK調(diào)制信號(hào)。首先，系統(tǒng)先進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換變?yōu)閮陕凡⑿械退俾市盘?hào)。源信號(hào)為頻率500Hz的PN偽隨機(jī)序列，采樣器的采樣速率為250Hz。在串并轉(zhuǎn)換中，先對(duì)一路信號(hào)延遲Ts，目的是將兩路信號(hào)“錯(cuò)開”。之后分別與2KHz的本地載波相乘，再將兩路信號(hào)相加得到QPSK調(diào)制信號(hào)。QPSK解調(diào)同樣也采用相干解調(diào)的方法。已調(diào)信號(hào)與本地載波相乘后，兩路信號(hào)分別通過(guò)Token51和Token52截止頻率650Hz的巴特沃斯低通濾波器濾波。Token68和69模擬群時(shí)延。之后通過(guò)抽樣判決得到兩路并行信號(hào)。最后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，用250Hz的方波分別對(duì)兩路信號(hào)取出正交和同相的信息［3］，再使用Token95延遲器將Q通路延遲一個(gè)Ts，兩路相加既可得到最終解調(diào)信號(hào)。系統(tǒng)抽樣速率10KHz，采樣點(diǎn)數(shù)1001，運(yùn)行時(shí)間100e-3s，循環(huán)次數(shù)4次。

圖3　QPSK調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)

為了便于與QPSK進(jìn)行對(duì)比，OQPSK的系統(tǒng)及各模塊參數(shù)與QPSK相同。在搭建系統(tǒng)時(shí)，只需在QPSK系統(tǒng)的基礎(chǔ)上串并轉(zhuǎn)換后，將正交一路信號(hào)延遲Ts/2的時(shí)間既可實(shí)現(xiàn)OQPSK功能，達(dá)到防止180°相位突變的目的。Token99和Token100延遲器實(shí)現(xiàn)了此功能。

圖4　OQPSK調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)

3　基于SystemView的對(duì)比仿真分析

3.1BPSK、2DPSK抗噪聲性能對(duì)比

為比較兩種系統(tǒng)的BER，在設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)時(shí)，各模塊的參數(shù)包括系統(tǒng)參數(shù)都是一樣的。將Token76、Token77設(shè)置為BER模式。通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行次數(shù)為4次，使用觀察模塊sink68和sink73多次觀察和比較兩種系統(tǒng)的BER。系統(tǒng)運(yùn)行得出BER如圖5所示。

圖5　BPSK、2DPSK的BER數(shù)據(jù)對(duì)比圖

由圖5平均值計(jì)算可得，本系統(tǒng)在相同信噪比的條件下，BPSK采用相干解調(diào)方式的誤碼率比2DPSK小82%。

3.2QPSK、OQPSK抗噪聲性能對(duì)比

同理在QPSK、OQPSK系統(tǒng)中，設(shè)置Token101、Token102為BER模式。系統(tǒng)運(yùn)行次數(shù)為4次。使用觀察模塊sink102、sink103觀察兩系統(tǒng)的BER對(duì)比圖如圖6所示。

圖6　QPSK與OQPSK系統(tǒng)BER對(duì)比圖

由圖6平均值計(jì)算可得，本系統(tǒng)在相同信噪比條件下，OQPSK的誤碼率僅比QPSK小3.3%，可以近似認(rèn)為相同。誤差源于樣本數(shù)量小。通過(guò)Final Value Sink68、102的對(duì)比可知，本系統(tǒng)在相同信噪比條件下，BPSK的誤碼率比QPSK誤碼率小83.8%。

3.3BPSK、QPSK頻譜分析對(duì)比

在SystemView的接收計(jì)算器中，選擇Spectrum選項(xiàng)的|FFT|得到BPSK、QPSK調(diào)制信號(hào)的頻譜分析圖如圖7和圖8。

圖7　BPSK調(diào)制信號(hào)頻譜圖

圖8　QPSK調(diào)制信號(hào)頻譜圖

兩系統(tǒng)源信號(hào)碼元速率都為500Hz。由圖7和圖8可知，此BPSK仿真系統(tǒng)的頻帶帶寬大約為800Hz，而QPSK仿真系統(tǒng)的頻帶帶寬大約為400Hz，BPSK帶寬是QPSK的2倍。由理論可知，在相同碼元速率的情況下，QPSK信息速率是BPSK的2倍，所以本系統(tǒng)中的QPSK頻帶利用率是BPSK的4倍。可得結(jié)論，在信息速率不變的情況下，通過(guò)增加進(jìn)制數(shù)可以降低碼元速率并減小信號(hào)帶寬，從而節(jié)約頻帶資源以提高系統(tǒng)的頻帶利用率。

4　結(jié)論

本文使用SystemView軟件搭建了BPSK、2DPSK、QPSK、OQPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)比分析誤碼率和頻譜圖，驗(yàn)證了在相同信噪比條件下，各單載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。

參考文獻(xiàn)

［1］戴志平，等.SystemView數(shù)字通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2011.8.

［2］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2015.1.

［3］馮育濤..通信系統(tǒng)仿真［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2009.8.

［4］孫錦華.現(xiàn)代調(diào)制解調(diào)技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2014.8.

［5］孫屹，戴妍峰.SystemView通信仿真開發(fā)手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

［6］羅衛(wèi)平.SystemView動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析及通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)［M］.西安電子科技大學(xué)出版社.2001.

［7］陳木生.SystemView在《通信原理》實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（6）：40-42

［8］翁劍楓，葉志前.MATLABLabVIEWSystemview仿真分析基礎(chǔ)［M］.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2005.

［9］丁玉美，高西全，數(shù)字信號(hào)處理（第二版）［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2000.

［10］鄧和蓮.2DPSK的調(diào)制解調(diào)及其SystemView仿真［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008（3）：67-69.

［11］青松.數(shù)字通信系統(tǒng)的SystemView仿真與分析［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

［12］楊曉靜，張玉.BPSK、QPSK、OQPSK、UQPSK信號(hào)識(shí)別研究［J］.電子信息對(duì)抗技術(shù)，2009（3）.

［13］S.H.Raghavan，J.K.Holmes.Modeling and simulation of mixed modulation formats for improved CDMA bandwidth efficiency［J］，Vehicular Technology Conference.2004：4290-4295.

［14］Jiafeng Wang，Xiandong Yin，Lixin Zheng，SNR and Carrier Phase Estimation of BPSK Signal［J］.The 2011 International Conference on computer Communication Control and Automation.2011.

［15］Meseguer AC（Meseguer，Alexis Carbo），etc.Impact of Bandwidth Efficiency in Nonliear Tolerance of Multicarrier Modulations［J］，Journal of lightwave technology.France.APR 15 2016：1787-1792.

作者簡(jiǎn)介：

張之越（1993—），廣東深圳人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于信息工程學(xué)院2012級(jí)，研究方向：通信工程。

The comparison of performance of single-carrier modulation technique based on SystemView

Electronics Department of Information Engineering College of Inner Mongolia University of Technology ZHANG Zhi-yue

Abstract:This paper discusses and introduces the performance of BPSK and 2DPSK as well as QPSK and OQPSK. To link each modulation and demodulation models by SystemView in order to compare and view anti-noise capability and spectrum of each systems with analysis window. This experiment demonstrates the theory that BER of BPSK is lower than 2DPSK and QPSK. In addition， BER of QPSK equals to OQPSK. But spectrum efficiency of BPSK is lower than QPSK. Finally， this paper gives some suggestions.

Keywords:Single-carrier modulation &demodulation；BER；Spectrum efficiency；SystemView