1、.BPSK與QPSK調制解調系統(tǒng)性能仿真比較計算機與信息工程學院*級*班 *學號指導教師*教授摘要本文利用Systemview系統(tǒng)給我們提供的軟件平臺，對正弦波數字調制系統(tǒng)的移相鍵控進展仿真，并進一步對BPSK與DPSK及QPSK進展比較。我們可以直觀實時的觀察到信道輸出的波形，已調信號功率頻譜，相位星座圖等變化，誤碼率曲線，從而分析得到不同調制方式性能差異。關鍵詞Systemview；BPSK、DPSK、QPSK；功率譜；星座圖；誤碼率；1引言通信系統(tǒng)越來越復雜，System View是適應這種變化的一個動態(tài)系統(tǒng)設計、仿真和分析的可視化設計軟件，它提供了開發(fā)電子系統(tǒng)的模擬和數字工具。數字相位

2、調制在通信中占有非常重要的地位。二進制中相對相移DPSK的應用解決了絕對相移BPSK的“倒現(xiàn)象，四進制QPSK調制效率高、傳輸速度快，三者各有其優(yōu)點。但在一樣信道下傳送一樣的信息序列性能各自有所不同。System View仿真將實現(xiàn)根本的BPSK 、DPSK 、QPSK調制解調系統(tǒng)的比較。輸出波形的不同，可對功率譜進展比較，也可反映傳輸速度。星座圖的觀察，也能實現(xiàn)傳輸速度的分析。誤碼率測試，可對系統(tǒng)抗噪聲性能比較。2仿真軟件簡介2.1Systemview簡介SystemView是美國ELANIX公司推出的，基于Windows環(huán)境下運行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊(Toke

3、n)去描述程序，無需編寫程序即可完成各種系統(tǒng)的設計與仿真，快速地建立和修改系統(tǒng)、與調整參數，方便地參加注釋。利用System View，可以構造各種復雜的模擬、數字、數?；旌舷到y(tǒng)，各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設計和仿真?？蓪€性系統(tǒng)進展拉氏變換和Z變換分析。用戶在進展系統(tǒng)設計時，只需從System View配置的圖標庫中調出有關圖標并進展參數設置，完成圖標間的連線，然后運行仿真操作，最終以時域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結果。在系統(tǒng)設計和仿真分析方面，System View還提供了一個真實而靈活的窗口用以檢查、分析系統(tǒng)波形。在窗口內，可以通過鼠標方便地

4、控制內部數據的圖形放大、縮小、滾動等。另外，分析窗中還帶有一個功能強大的“接收計算器，可以完成對仿真運行結果的各種運算、譜分析、濾波。具有與外部文件的接口，可直接獲得并處理輸入/輸出數據。提供了與編程語言VC+或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的調用其函數。具備與硬件設計的接口，可以將System View系統(tǒng)中的局部器件生成下載FPGA、DSP芯片所需的數據文件。2.2 Systemview窗口 2.2.1系統(tǒng)設計窗口。它包括標題欄、菜單欄、工具條、滾動條、提示欄、圖符庫和設計窗工作區(qū)。其中設計窗口工作區(qū)是用于設置、連接各種圖符以創(chuàng)立系統(tǒng)，進展系統(tǒng)仿真等操作；提示欄用于顯示系

5、統(tǒng)仿真的狀態(tài)信息、功能快捷鍵的功能信息提示和圖符的參數顯示；滾動條用于移動觀察當前的工作區(qū)域。當鼠標器位于功能圖符上時，那么該圖符的具體參數就會自動彈出顯示如圖2.2.1。系統(tǒng)視窗最上邊一行為主菜單欄，包括：文件File、編輯Edit、參數優(yōu)選Preferences、視窗觀察View、便箋NotePads、連接Connetions、編譯器piler、系統(tǒng)System、圖符塊Tokens、工具Tools和幫助Help共11項功能菜單。圖2.2.1 系統(tǒng)視窗2.2.2系統(tǒng)分析窗口設置好系統(tǒng)定時參數后，單擊“系統(tǒng)運行快捷功能按鈕，計算機開場運算各個數學模型間的函數關系，生成曲線待顯示調用。此后，單擊

6、“分析窗口快捷功能按鈕，進入分析視窗SystemView Analysis進展操作。在分析窗口下，第一行為“主菜單欄，包括：File、Edit、Preferences、Windows、Help 五個功能欄；第二行為“工具欄，自左至右的圖標按鈕依次見表2.2.2。表2.2.2按鈕1： 繪制新圖按鈕2 ：打印圖形按鈕3：恢復按鈕4：點繪按鈕5：連點按鈕6 ：顯示坐標按鈕7：X軸標記按鈕8：平鋪顯示按鈕9：橫排顯示按鈕10：疊層顯示按鈕11：X軸對數化按鈕12：Y軸對數化按鈕13：窗口最小化按鈕14：翻開所有窗口按鈕15：動畫模擬按鈕16：統(tǒng)計按鈕17：微型窗口按鈕18：快速縮放按鈕19：輸入APG

7、按鈕20：返系統(tǒng)窗2.3 圖符庫介紹     System View的庫資源十分豐富，主要包括：含假設干圖符庫的主庫Main Library、通信庫munications Library、信號處理庫DSP Library、邏輯庫Logic Library、射頻/模擬庫RF Analog Library和用戶代碼庫User Code Library。2.3.1圖符庫的主庫圖符圖 符 名功 能 說 明連接節(jié)點用于多個圖符輸入輸出信號的會聚、連接。信號源用于產生用戶系統(tǒng)所需的信號源。此庫中的圖符只有輸出，沒有輸入。子系統(tǒng)它代表一個復雜的子系統(tǒng)、子函數或仿真的子

8、過程的圖符。加法器對輸入信號進展加法操作。子系統(tǒng)I/O用于設置一個嵌套子系統(tǒng)的輸入和輸出節(jié)點。算子對輸入數據進展某一算子操作，如延時、平均、濾波等等。函數對輸入數據進展某一指定函數操作。乘法器對輸入信號進展乘法操作。接收器實現(xiàn)信號的收集、顯示、分析以及輸出等功能。只有輸入，沒有輸出。2.3.2本設計中所涉及的庫1.通信庫 比特誤碼率BER：選擇測試bit數，門限，時間偏置選擇。功能是估計信道的比特誤碼率。作長時間仿真時,可配合循環(huán)選項及停頓接收圖符進展。2.算子庫線性系統(tǒng)濾波器：FIR、IIR、Laplace、模擬濾波器等系統(tǒng)設計，SystemView最通用和功能強大的圖符之一。保持

9、器Hold：增益 ，選擇保持兩采樣點之間的最后一個值或零。用于采樣或抽樣后返回系統(tǒng)采樣率。采樣器Sample：采樣速率 ，采樣點時間寬度 ，采樣時間偏差。按設定的采樣率采樣，輸出的結果是輸入信號在采樣寬度內的線性組合。采樣保持Sample Hold：控制門限值(v)用外部控制采樣保持。延遲Delay：延遲類型，延遲時間選擇內插與非內插延遲類型。增益Gain1.單位選擇2.增益對輸入信號進展放大。取負數Negate3.邏輯庫緩沖器Buffer：設置輸出延時，輸出真假值，上下閾值正邏輯緩沖器。單輸入，缺省的上下閾值為0.8V和0.2V。異或門XOR：設置輸出延時，輸出真假值，閾值。兩個或以上的邏輯

10、信號異或操作。3系統(tǒng)的工作原理3.1 2PSK(BPSK)調制解調原理在PSK調制時，載波的相位隨調制信號狀態(tài)不同而改變。如果兩個頻率一樣的載波同時開場振蕩，這兩個頻率同時到達正最大值，同時到達零值，同時到達負最大值，此時它們就處于“同相狀態(tài)；如果一個到達正最大值時，另一個到達負最大值，那么稱為“反相。一般把信號振蕩一次一周作為360度。如果一個波比另一個波相差半個周期，我們說兩個波的相位差180度，也就是反相。當傳輸數字信號時，“1碼控制發(fā)0度相位，“0碼控制發(fā)180度相位。載波相位只有0和兩種取值，分別對應于調制信號的“0和“1。傳“1“信圖3.1.1 2PSK調制號時，發(fā)起始相位為的載波

11、；當傳“0信號時，發(fā)起始相位為0的載波。由“0和“1表示的二進制調制信號通過電平轉換后，變成由“1和“1表示的雙極性NRZ不歸零信號，然后與載波相乘，即可形成2PSK信號。用開關電路去選擇相位相差p的同頻載波(如圖3.1.1)產生。2PSK(BPSK)解調必須采用相干接收法如圖3.1.2。圖3.1.2 2PSK解調3.2 DPSK調制解調原理差分相移鍵DPSK控常稱為二相相對調相。它不是利用載波相位的絕對數值傳送數字信息，而是用前后碼元的相對載波相位值傳送數字信息。所謂相對載波相位是指本碼元初相與前一碼元初相之差。假設相對載波相位值用相位偏移表示，并規(guī)定數字信息序列與之間的關系為：那么由于初始

12、參考相位有兩種可能，因此2DPSK信號的波形可以有兩種。圖3.2.1 DPSK調制在調制電路使用模二加法器和延遲器延遲一個碼元寬度可以實現(xiàn)上述轉換，把絕對碼變成相對碼的方法，稱其為差分編碼器；把相對碼變?yōu)榻^對碼的方法，稱其為差分譯碼器。相對相移本質上就是對由絕對碼轉換而來的差分碼的數字信號序列的絕對相移如圖3.2.1。2DPSK信號的解調有兩種解調方式，一種是差分相干解調，另一種是相干解調-碼變換法又稱為極性比較碼變換法。(1)相干解調-碼變換法。此法即是2PSK解調加差分譯碼。2PSK解調器將輸入的2DPSK信號復原成相對碼，再由差分譯碼器碼反變換器把相對碼轉換成絕對碼輸出如圖3.2.2。圖

13、3.2.2 DPSK相干解調(2)差分相干解調法。它是直接比較前后碼元的相位差而構成的，故也稱為相位比較法解調，這種方法不需要碼變換器，也不需要專門的相干載波發(fā)生器，因此設備比較簡單、實用。圖中延時電路的輸出起著參考載波的作用。乘法器起著相位比較鑒相的作用如圖3.2.3。圖3.2.3 DPSK差分相干解調3.3 QPSK調制解調原理QPSK是四進制移相鍵控，利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數字信息。是一種頻譜利用率高、抗干擾性強的數調制方式，它被廣泛應用于各種通信系統(tǒng)中，適合衛(wèi)星播送。調制器輸入的數據是二進制數字序列，為了能和四進制的載波相位配合起來，那么需要把二進制數據變換為四進制數據，

14、這就是說需要把二進制數字序列中每兩比特分成一組，共有四種組合，即00，01，10，11。然后用四種不同的載波相位即分別為45°，135°，225°，275°來表征它們。其中每一組稱為雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息比特組成的，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。QPSK中每次調制可傳輸2個信息比特。前一信息比特用a表示，后一信息比特用b表示，雙比特碼元ab中兩個信息比特通常是按格雷碼即反射碼排列的見表3.3。表3.3 雙比特碼元與載波相位的關系雙比特碼元載波相位kabA方式B方式000°45°0190°13

15、5°11180°225°10270°315°QPSK調制是將輸入的串行二進制信息序列經串并變換，變成m=log2M個并行數據流，每一路的數據率是R/m，R是串行輸入碼的數據率。I/Q信號發(fā)生器將每一個m比特的字節(jié)轉換成一對pn，qn數字，分成兩路速率減半的序列，電平發(fā)生器分別產生雙極性二電平信號I(t)和Q(t)，然后對coswct和sinwct進展調制，相加后即得到QPSK信號。它可以看成是由兩個2PSK調制器構成的。因此也有兩種產生方法，調相法如圖3.3.1和相位選擇法如圖3.3.2。圖3.3.1 QPSK調相法調制圖3.3.2 QPSK相

16、位選擇法調制四相絕對相移鍵控信號可以看成是兩個2PSK信號合成，故它可以采用與2PSK類似的解調方法進展解調即兩個2PSK信號相干解調器構成，并/串轉換將上、下支路所得的并行數據恢復成串行數據。如圖3.3.3圖3.3.3 QPSK解調4設計步驟及相關參數說明4.1進入SystemView系統(tǒng)視窗，設置“時間窗參數。采樣頻率：Sample Rate=20000Hz；測誤碼率時，循環(huán)次數：10；運行時間：Start Time: 0秒， Stop Time: 1.75秒。采樣點數：35001。4.2調用圖符塊創(chuàng)立仿真分析系統(tǒng)。圖4.2.1為BPSK與DPSK系統(tǒng)的比較。圖4.2.2為BPSK與QPS

17、K系統(tǒng)的比較。圖4.2.1 BPSK與DPSK系統(tǒng)圖4.2.2 BPSK與QPSK系統(tǒng)BPSK與DPSK系統(tǒng)圖4.2.1中，DPSK相干解調-碼變換法。圖中利用延遲器Token3,27和異或門/模二加法器Token4,26構成差分編碼和差分譯碼器。BPSK與QPSK仿真系統(tǒng)圖4.2.2中，利用不同參數的數字延遲器Token70,73、采樣器保持器Token67、68和定時脈沖Token69,74構成“串/并轉換器。觀察是需要對數字方波信號進展延遲處理，否那么波形嚴重失真。定時脈沖Token82與乘法器Token77,78、數字延遲器Token80和加法器Token79構成“并/串轉換器。兩圖中

18、都有類似高斯噪聲源Token45與加法器Token43、44之間插入一個增益隨每次循環(huán)改變的“Gain圖符塊Token46及誤碼率測試器Token40、47，來進展系統(tǒng)抗噪聲性能的分析。我們設置碼率測試器No.Trials=1 bits，Offset Option選擇“Seconds,Offset=0sec。兩圖中Token1,11,28等，這種圖符塊來自Sink庫，稱為觀測圖符塊Analysis，利用它只能觀察時域波形。如果使用“Real Time塊而不是“Analysis塊來觀察時域波形，不必進入分析視窗，隨著運算的進展，可直接觀察時域波形。放置該圖符塊的同時還出現(xiàn)一個波形顯示框，將鼠標置

19、于框內，單擊右鍵，彈出一個操作菜單，可編輯顯示框的底色、波形顏色及是否需要坐標線；用鼠標壓住框可移動位置并可改變大小。仿真系統(tǒng)中的主要圖符塊設置參數如表4.2所示。表4.2 兩組系統(tǒng)的參數設置編號圖符塊屬性Attribute類型Type參數設置ParametersBPSK與DPSK系統(tǒng)0SourcePN SeqAmp=1v, Offset=0v , Rate=1000Hz, Level=2, Phase=0 deg8.5.21.22SourceSinusoidAmp=1v, Offset=0v , Rate=2000Hz, Phase=0 deg45SourceGauss NoiseDensi

20、ty in 1ohm, 1e-3W/Hz1.2.11.12.28.29.52SinkAnalysis-41,48SinkFinal Value- 終值顯示圖符塊3.27.39OperatorDelayNon-Interpolating, Delay=1e-3 sec33.34OperatorSamplerInterpolating, Rate=1000Hz37.38OperatorHoldLast Value, Gain=13.27.39OperatorDelayNon-Interpolating, Delay=1e-3 sec7.10OperatorNegate-13.16OperatorL

21、inear SysButterworthLowpassIIR,2 Poles,Fc=2000Hz.46OperatorGainGain Units=Linear, Gain= -1014.15Multiplier-4.26LogicXORGateDelay=0,Threshold=0v,TureOutput=1,False Output=-150.51LogicBufferGateDelay=0,Threshold=0v,TureOutput=1,False Output=-16.9LogicSPDTGateDelay=0,ctrl Thresh=100e-340.47mBER RateNo.

22、Trials=1 bits, Threshold=0v, Offset=0sec43.44Adder-BPSK與QPSK系統(tǒng)0SourcePN SeqAmp=1v, Offset=0v , Rate=1000Hz, Level=2, Phase=0 deg5.21.42.47SourceSinusoidAmp=1v, Offset=0v , Rate=2000Hz, Phase=0 deg95SourceGauss NoiseDensity in 50ohm, 1e-3W/Hz69.74.81.82SourcePulse TrainAmp=1v,Frequency=500Hz,Pulse Wi

23、sth=1e-3sec, Offset=0v ,Phase=0 deg1.2.11.28.85.86SinkAnalysis-90,93SinkFinal Value- 終值顯示圖符塊70/73/80/83/96OperatorDelayNon-Interpolating, Delay=1e-3 sec97OperatorDelayNon-Interpolating, Delay=2-3 sec33.83OperatorSamplerInterpolating, Rate=1000Hz62.71.72.84OperatorHoldLast Value, Gain=170.73.80.96Ope

24、ratorDelayNon-Interpolating, Delay=1e-3 sec7OperatorNegate-48.49OperatorLinear SysButterworthLowpassIIR,3 Poles,Fc=1500Hz.94OperatorGainGain Units=Linear, Gain= -567.68.75.76OperatorSampler HoldCtrl Threshold=0v14/40/41/45/46/76/78Multiplier-65LogicBufferGateDelay=0,Threshold=0v,TureOutput=1,False O

25、utput=-16LogicSPDTGateDelay=0,Ctrl Thresh=100e-388.89mBER RateNo.Trials=1 bits, Threshold=0v, Offset=0Sec43.79.91.92Adder-4.3觀察時域波形創(chuàng)立完仿真系統(tǒng)后，單擊運行按鈕，后進入分析窗口，可觀察數據信號及BPSK、DPSK、QPSK調制解調波形，及QPSK的I、Q兩路分量波形。4.4觀察信號的功率譜在分析窗下單擊信宿計算器圖標按鈕，出現(xiàn)“SystemView信宿計算器對話框，單擊分類設置開關按鈕 Spectrum ，出現(xiàn)如圖4.4所示對話框。圖4.4 信宿計算器下的“Spe

26、ctrum對話框接下來選擇計算功率譜的條件，如選中“Power SpectrumdBm in 50 ohms項，那么表示計算功率譜的條件為50歐負載上的對數功率譜；在“Select One Window:欄目內選擇信號觀測點；最后單擊按鈕 OK 返回分析窗，等待功率譜顯示活動窗口的出現(xiàn)。4.5觀察BPSK信號和QPSK信號的星座圖在出現(xiàn)信號顯示活動窗口后，單擊分析窗中第二行“工具欄的按鈕4點繪可觀察星座圖，單擊按鈕5連點可觀察信號的相位路徑轉換圖，兩種操作可相互切換。點的大小可利用“Preference>>Smaller Points in >>Normal/small

27、/pixel命令修改。4.6觀察誤碼率4.6.1使與2PSK信號疊加的高斯噪聲強度自動可變，才能得到隨SNR改變的BER分析曲線，可在高斯噪聲源Token4與加法器Token3之間插入一個增益隨每次循環(huán)改變的“Gain圖符塊首先將其增益參數設置為Gain=-10dB，然后執(zhí)行主菜單“Tools>>Global parameter Links命令，出現(xiàn)一個“Global Token parameter Links對話框，在其中的“Select System Token欄內單擊選中“*Operator(Gain)項變成反白條，在“Define Algebraic Relationshi

28、p F(Gi,Vi)欄內輸入“Gain圖符塊的循環(huán)增益變化式：-2*cl，該式表示每次循環(huán)高斯噪聲功率減小2dB，10次循環(huán)后“Gain圖符塊的增益變成-20dB，最后，單擊OK按鈕關閉此對話框返回系統(tǒng)窗。4.6.2創(chuàng)立完仿真系統(tǒng)后，單擊運行按鈕，隨著每次循環(huán)，終值顯示框內出現(xiàn)每次的運算結果，其中最后一列數據為誤比特率。10次循環(huán)完畢后進入分析窗，此時Token40478889給出的誤比特率是隨仿真時間改變的規(guī)律，欲觀察BER隨解調信號SNR改變的曲線，需單擊“信宿計算器按鈕，在出現(xiàn)的對話框中，選中Style按鈕，單擊BERPlot按鈕，在其右側的“SNR StartdB:欄內輸入0、“Inc

29、rementdB:欄內輸入1，再選中右上角窗口內“Sink40478889”項，最后單擊對話框的OK按鈕即可顯示隨SNR改變的BER曲線。每次循環(huán)時，輸入信號功率保持不變，而疊加的高斯噪聲功率逐次衰減，即SNR不斷增加。4.6.3分析窗下，單擊信宿計算器按鈕，在出現(xiàn)的“System Sink Calculator對話框中分別得到Sink40/89 和Sink47/88的功率譜窗口w6:和w7:后，可將這兩個功率譜合成在同一個窗口中進展比照。具體操作為：在“System Sink Calculator對話框中單擊Operators按鈕和Overlay Plots按鈕，在右側窗口內壓住左鍵選中“w

30、6：BER vs SNR for Sink40” 和“w7：BER vs SNR for Sink47”信息條，使之變成反白顯示，最后單擊OK按鈕即可顯示出比照誤碼率。4.6.4可將這兩個功率譜與系統(tǒng)大量實驗結果理論的BPSK、DPSK、QPSK的誤碼率合成在同一個窗口中進展比照。具體操作為：在“System Sink Calculator對話框中單擊m按鈕TheoreticalBER Plots按鈕,選擇BPSK、DPSK、QPSK。并在右側窗口內選中3中生成的新窗口“Overlay W9:信息條，使之變成反白顯示，最后單擊OK按鈕即可顯示出比照覆蓋誤碼率。5仿真結果分析及結論5.1波形的分

31、析5.1.1BPSK與DPSK的調制解調輸入輸出波形圖5.1.1 BPSK左與DPSK右的調制解調輸入輸出波形與2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不對應一樣的數字信息符號，而前后碼元的相對相位才能唯一確定信息符號圖5.1.1。這說明解調2DPSK信號時，并不依賴于某一固定的載波相位參考值，只要前后碼元的相對相位關系不破壞，那么鑒別這個相位關系就可正確恢復數字信息。這就防止了2PSK方式中的“倒現(xiàn)象發(fā)生。由于相對移相調制無“反問工作問題，因此得到廣泛的應用。5.1.2 BPSK與DPSK的調制解調輸入輸出波形圖5.1.2 BPSK左與QPSK右的調制解調輸入輸出波形與BPSK的波形不同，QPSK波形的發(fā)生了明顯的變化圖5.1.2，出現(xiàn)了四種相位。而且對于輸出波形的觀察也必須將輸入延時一個碼元才能比照看到輸出結果。這就證明傳輸一樣的碼元QPSK的數度要比BPSK快， 幾乎接近兩倍。5.2功率譜分析5.2.1 BPSK與DPSK的調制信號功率譜2DPSK和2PSK信號具有一樣形式的表達式，所不同的是2PSK表達式中的s(t)是數字基帶信號，2DPSK表達式中的s(t)是由數字基帶信號變換而來的差分碼數字信號。據