BPSK与QPSK调制解调系统性能仿真

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1、BPSK与QPSK调制解调系统性能仿真比较计算机与信息工程学院 *级*班 姓名 学号指导教师 * 教授摘要 本文利用Systemview系统给我们提供的软件平台，对正弦波数字调制系统的移相键控进行仿真，并进一步对BPSK与DPSK及QPSK进行比较。我们可以直观实时的观察到信道输出的波形，已调信号功率频谱，相位星座图等变化，误码率曲线，从而分析得到不同调制方式性能差别。关键词 Systemview；BPSK、DPSK、QPSK；功率谱；星座图；误码率；1引言通信系统越来越复杂，System View是适应这种变化的一个动态系统设计、仿真和分析的可视化设计软件，它提供了开发电子系统的模拟和数字工

2、具。数字相位调制在通信中占有非常重要的地位。二进制中相对相移DPSK的应用解决了绝对相移BPSK的“倒”现象，四进制QPSK调制效率高、传输速度快，三者各有其优点。但在相同信道下传送相同的信息序列性能各自有所不同。System View仿真将实现基本的BPSK 、DPSK 、QPSK调制解调系统的比较。输出波形的不同，可对功率谱进行比较，也可反映传输速度。星座图的观察，也能实现传输速度的分析。误码率测试，可对系统抗噪声性能比较。2仿真软件简介2.1 System view简介SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用

3、功能模块(Token)去描述程序，无需编写程序即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。可对线性系统进行拉氏变换和Z变换分析。用户在进行系统设计时，只需从System View配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。在系统设计和仿真分析方面，System View还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口

4、内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。提供了与编程语言VC+或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的调用其函数。具备与硬件设计的接口，可以将System View系统中的部分器件生成下载FPGA、DSP芯片所需的数据文件。2.2 System view窗口2.2.1系统设计窗口。它包括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、提示栏、图符库和设计窗工作区。其中设计窗口工作区是用于设置、连接各种图符以创建系统，进行系统仿真等操作；提

5、示栏用于显示系统仿真的状态信息、功能快捷键的功能信息提示和图符的参数显示；滚动条用于移动观察当前的工作区域。当鼠标器位于功能图符上时，则该图符的具体参数就会自动弹出显示（如图2.2.1）。系统视窗最上边一行为主菜单栏，包括：文件（File）、编辑（Edit）、参数优选（Preferences）、视窗观察（View）、便笺（NotePads）、连接（Connetions）、编译器（Compiler）、系统（System）、图符块（Tokens）、工具（Tools）和帮助（Help）共11项功能菜单。图2.2.1 系统视窗2.2.2系统分析窗口设置好系统定时参数后，单击“系统运行”快捷功能按钮，计

6、算机开始运算各个数学模型间的函数关系，生成曲线待显示调用。此后，单击“分析窗口”快捷功能按钮，进入分析视窗（SystemView Analysis）进行操作。在分析窗口下，第一行为“主菜单栏”，包括：File、Edit、Preferences、Windows、Help 五个功能栏；第二行为“工具栏”，自左至右的图标按钮依次见表2.2.2。表2.2.2按钮1： 绘制新图按钮2 ：打印图形按钮3 ：恢复按钮4 ：点绘按钮5 ：连点按钮6 ：显示坐标按钮7 ：X轴标记按钮8 ：平铺显示按钮9 ：横排显示按钮10：叠层显示按钮11：X轴对数化按钮12：Y轴对数化按钮13：窗口最小化按钮14：打开所有窗

7、口按钮15：动画模拟按钮16：统计按钮17：微型窗口按钮18：快速缩放按钮19：输入APG按钮20：返系统窗2.3图符库介绍 System View的库资源十分丰富，主要包括：含若干图符库的主库（Main Library）、通信库（Communications Library）、信号处理库（DSP Library）、逻辑库（Logic Library）、射频/模拟库（RF Analog Library）和用户代码库（User Code Library）。2.3.1图符库的主库图符图 符 名功 能 说 明连接节点用于多个图符输入输出信号的汇聚、连接。信号源用于产生用户系统所需的信号源。此库中的图

8、符只有输出，没有输入。子系统它代表一个复杂的子系统、子函数或仿真的子过程的图符。加法器对输入信号进行加法操作。子系统I/O用于设置一个嵌套子系统的输入和输出节点。算 子对输入数据进行某一算子操作，如延时、平均、滤波等等。函 数对输入数据进行某一指定函数操作。乘法器对输入信号进行乘法操作。接收器实现信号的收集、显示、分析以及输出等功能。只有输入，没有输出。2.3.2本设计中所涉及的库1.通信库比特误码率BER：选择测试bit数，门限，时间偏置选择。功能是估计信道的比特误码率。作长时间仿真时,可配合循环选项及停止接收图符进行。2.算子库 线性系统滤波器：FIR、IIR、Laplace、模拟滤波器等

9、系统设计，SystemView最通用和功能强大的图符之一。 保持器Hold：增益 ，选择保持两采样点之间的最后一个值或零。用于采样或抽样后返回系统采样率。 采样器Sample：采样速率 ，采样点时间宽度 ，采样时间偏差。按设定的采样率采样，输出的结果是输入信号在采样宽度内的线性组合。 采样保持Sample Hold：控制门限值(v)用外部控制采样保持。 延迟Delay：延迟类型，延迟时间选择内插与非内插延迟类型。 增益Gain1.单位选择2.增益对输入信号进行放大。取负数Negate3.逻辑库缓冲器Buffer：设置输出延时，输出真假值，上下阈值正逻辑缓冲器。单输入，缺省的上下阈值为0.8V和

10、0.2V。 异或门XOR：设置输出延时，输出真假值，阈值。两个或以上的逻辑信号异或操作。3系统的工作原理3.1 2PSK(BPSK)调制解调原理在PSK调制时，载波的相位随调制信号状态不同而改变。如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，此时它们就处于“同相”状态；如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为“反相”。一般把信号振荡一次（一周）作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期，我们说两个波的相位差180度，也就是反相。当传输数字信号时，“1”码控制发0度相位，“0”码控制发180度相位。载波相位只有0和两种取值，分别对应

11、于调制信号的“0”和“1”。传“1“信图3.1.1 2PSK调制号时，发起始相位为的载波；当传“0”信号时，发起始相位为0的载波。由“0”和“1”表示的二进制调制信号通过电平转换后，变成由“1”和“1”表示的双极性NRZ（不归零）信号，然后与载波相乘，即可形成2PSK信号。用开关电路去选择相位相差p 的同频载波(如图3.1.1)产生。2PSK(BPSK)解调必须采用相干接收法（如图3.1.2）。图3.1.2 2PSK解调3.2 DPSK调制解调原理差分相移键DPSK控常称为二相相对调相。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本

12、码元初相与前一码元初相之差。假设相对载波相位值用相位偏移表示，并规定数字信息序列与之间的关系为：则由于初始参考相位有两种可能，因此2DPSK信号的波形可以有两种。图3.2.1 DPSK调制在调制电路使用模二加法器和延迟器（延迟一个码元宽度）可以实现上述转换，把绝对码变成相对码的方法，称其为差分编码器；把相对码变为绝对码的方法，称其为差分译码器。相对相移本质上就是对由绝对码转换而来的差分码的数字信号序列的绝对相移（如图3.2.1）。2DPSK信号的解调有两种解调方式，一种是差分相干解调，另一种是相干解调-码变换法又称为极性比较码变换法。(1)相干解调-码变换法。此法即是2PSK解调加差分译码。2

13、PSK解调器将输入的2DPSK信号还原成相对码，再由差分译码器（码反变换器）把相对码转换成绝对码输出（如图3.2.2）。图3.2.2 DPSK相干解调(2)差分相干解调法。它是直接比较前后码元的相位差而构成的，故也称为相位比较法解调，这种方法不需要码变换器，也不需要专门的相干载波发生器，因此设备比较简单、实用。图中延时电路的输出起着参考载波的作用。乘法器起着相位比较（鉴相）的作用（如图3.2.3）。图3.2.3 DPSK差分相干解调3.3 QPSK调制解调原理QPSK是四进制移相键控，利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息。是一种频谱利用率高、抗干扰性强的数调制方式，它被广泛应用于各种通

14、信系统中，适合卫星广播。调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11。然后用四种不同的载波相位即分别为45，135，225，275来表征它们。其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成的，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特。前一信息比特用a表示，后一信息比特用b表示，双比特码元ab中两个信息比特通常是按格雷码（即反射码）排列的（见表3.3）。表3.3 双比特码元与载波相位的关系双比特

15、码元载波相位kabA方式B方式0004501901351118022510270315QPSK调制是将输入的串行二进制信息序列经串并变换，变成m=log2M个并行数据流，每一路的数据率是R/m，R是串行输入码的数据率。I/Q信号发生器将每一个m比特的字节转换成一对（pn，qn）数字，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t)，然后对coswct和sinwct进行调制，相加后即得到QPSK信号。它可以看成是由两个2PSK调制器构成的。因此也有两种产生方法，调相法（如图3.3.1）和相位选择法（如图3.3.2）。图3.3.1 QPSK调相法调制图3.3.2 QPS

16、K相位选择法调制四相绝对相移键控信号可以看成是两个2PSK信号合成，故它可以采用与2PSK类似的解调方法进行解调即两个2PSK信号相干解调器构成，并/串转换将上、下支路所得的并行数据恢复成串行数据。（如图3.3.3）图3.3.3 QPSK解调4设计步骤及相关参数说明4.1进入SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数。采样频率：Sample Rate=20000Hz；测误码率时，循环次数：10；运行时间：Start Time: 0秒， Stop Time: 1.75秒。采样点数：35001。4.2调用图符块创建仿真分析系统。图4.2.1为BPSK与DPSK系统的比较。图4.2.2为BPS

17、K与QPSK系统的比较。图4.2.1 BPSK与DPSK系统图4.2.2 BPSK与QPSK系统BPSK与DPSK系统（图4.2.1）中，DPSK相干解调-码变换法。图中利用延迟器（Token3,27）和异或门/模二加法器（Token4,26）构成差分编码和差分译码器。BPSK与QPSK仿真系统（图4.2.2）中，利用不同参数的数字延迟器（Token70,73）、采样器保持器（Token67、68）和定时脉冲（Token69,74）构成“串/并转换器”。观察是需要对数字方波信号进行延迟处理，否则波形严重失真。定时脉冲（Token82）与乘法器（Token77,78）、数字延迟器（Token80

18、）和加法器（Token79）构成“并/串转换器”。两图中都有类似高斯噪声源（Token45）与加法器（Token43、44）之间插入一个增益随每次循环改变的“Gain”图符块（Token46）及误码率测试器（Token40、47），来进行系统抗噪声性能的分析。我们设置码率测试器No.Trials=1 bits，Offset Option选择“Seconds”, Offset=0sec。两图中Token1,11,28等，这种图符块来自Sink库，称为观测图符块（Analysis），利用它只能观察时域波形。如果使用“Real Time”块而不是“Analysis”块来观察时域波形，不必进入分析视窗

19、，随着运算的进行，可直接观察时域波形。放置该图符块的同时还出现一个波形显示框，将鼠标置于框内，单击右键，弹出一个操作菜单，可编辑显示框的底色、波形颜色及是否需要坐标线；用鼠标压住框可移动位置并可改变大小。仿真系统中的主要图符块设置参数如表4.2所示。表4.2 两组系统的参数设置编号图符块属性（Attribute）类型（Type）参数设置（Parameters）BPSK与DPSK系统0SourcePN SeqAmp=1v, Offset=0v , Rate=1000Hz, Level=2, Phase=0 deg8.5.21.22SourceSinusoidAmp=1v, Offset=0v ,

20、 Rate=2000Hz, Phase=0 deg45SourceGauss NoiseDensity in 1ohm, 1e-3W/Hz1.2.11.12.28.29.52SinkAnalysis-41,48SinkFinal Value- （终值显示图符块）3.27.39OperatorDelayNon-Interpolating, Delay=1e-3 sec33.34OperatorSamplerInterpolating, Rate=1000Hz37.38OperatorHoldLast Value, Gain=13.27.39OperatorDelayNon-Interpolati

21、ng, Delay=1e-3 sec7.10OperatorNegate-13.16OperatorLinear 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=-16.9Logic

22、SPDTGateDelay=0,ctrl Thresh=100e-340.47CommBER RateNo.Trials=1 bits, Threshold=0v, Offset=0sec43.44Adder-BPSK与QPSK系统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

23、.81.82SourcePulse TrainAmp=1v, Frequency=500Hz, Pulse Wisth=1e-3sec, Offset=0v , Phase=0 deg1.2.11.28.85.86SinkAnalysis-90,93SinkFinal Value- （终值显示图符块）70/73/80/83/96OperatorDelayNon-Interpolating, Delay=1e-3 sec97OperatorDelayNon-Interpolating, Delay=2-3 sec33.83OperatorSamplerInterpolating, Rate=10

24、00Hz62.71.72.84OperatorHoldLast Value, Gain=170.73.80.96OperatorDelayNon-Interpolating, Delay=1e-3 sec7OperatorNegate-48.49OperatorLinear SysButterworth Lowpass IIR,3 Poles,Fc=1500Hz.94OperatorGainGain Units=Linear, Gain= -567.68.75.76OperatorSampler HoldCtrl Threshold=0v14/40/41/45/46/76/78Multipli

25、er-65LogicBufferGateDelay=0,Threshold=0v,TureOutput=1,False Output=-16LogicSPDTGateDelay=0,Ctrl Thresh=100e-388.89CommBER RateNo.Trials=1 bits, Threshold=0v, Offset=0Sec43.79.91.92Adder-4.3观察时域波形创建完仿真系统后，单击运行按钮，后进入分析窗口，可观察数据信号及BPSK、DPSK、QPSK调制解调波形，及QPSK的I、Q两路分量波形。4.4观察信号的功率谱在分析窗下单击信宿计算器图标按钮，出现“Syste

26、mView信宿计算器”对话框，单击分类设置开关按钮 Spectrum ，出现如图4.4所示对话框。图4.4 信宿计算器下的“Spectrum”对话框接下来选择计算功率谱的条件，如选中“Power SpectrumdBm in 50 ohms”项，则表示计算功率谱的条件为50欧负载上的对数功率谱；在“Select One Window:”栏目内选择信号观测点；最后单击按钮 OK 返回分析窗，等待功率谱显示活动窗口的出现。4.5观察BPSK信号和QPSK信号的星座图在出现信号显示活动窗口后，单击分析窗中第二行“工具栏”的按钮4（点绘）可观察星座图，单击按钮5（连点）可观察信号的相位路径转换图，两种

27、操作可相互切换。点的大小可利用“PreferenceSmaller Points in Normal/small/pixel”命令修改。4.6观察误码率4.6.1使与2PSK信号叠加的高斯噪声强度自动可变，才能得到随SNR改变的BER分析曲线，可在高斯噪声源（Token4）与加法器（Token3）之间插入一个增益随每次循环改变的“Gain”图符块首先将其增益参数设置为Gain=-10dB，然后执行主菜单“ToolsGlobal parameter Links”命令，出现一个“Global Token parameter Links”对话框，在其中的“Select System Token”栏内

28、单击选中“* Operator(Gain)”项（变成反白条），在“Define Algebraic Relationship F(Gi,Vi)”栏内输入“Gain”图符块的循环增益变化式：-2*cl，该式表示每次循环高斯噪声功率减小2dB，10次循环后“Gain”图符块的增益变成-20dB，最后，单击OK按钮关闭此对话框返回系统窗。4.6.2创建完仿真系统后，单击运行按钮，随着每次循环，终值显示框内出现每次的运算结果，其中最后一列数据为误比特率。10次循环结束后进入分析窗，此时Token40478889给出的误比特率是随仿真时间改变的规律，欲观察BER随解调信号SNR改变的曲线，需单击“信宿计

29、算器”按钮，在出现的对话框中，选中Style按钮，单击BER Plot按钮，在其右侧的“SNR StartdB:”栏内输入0、“IncrementdB:”栏内输入1，再选中右上角窗口内“Sink40478889”项，最后单击对话框的OK按钮即可显示随SNR改变的BER曲线。每次循环时，输入信号功率保持不变，而叠加的高斯噪声功率逐次衰减，即SNR不断增加。4.6.3分析窗下，单击信宿计算器按钮，在出现的“System Sink Calculator”对话框中分别得到Sink40/89 和Sink47/88的功率谱窗口（w6:和w7:）后，可将这两个功率谱合成在同一个窗口中进行对比。具体操作为：在

30、“System Sink Calculator”对话框中单击Operators按钮和Overlay Plots按钮，在右侧窗口内压住左键选中“w6：BER vs SNR for Sink40” 和“w7：BER vs SNR for Sink47”信息条，使之变成反白显示，最后单击OK按钮即可显示出对比误码率。4.6.4可将这两个功率谱与系统大量实验结果（理论）的BPSK、DPSK、QPSK的误码率合成在同一个窗口中进行对比。具体操作为：在“System Sink Calculator”对话框中单击Comm按钮TheoreticalBER Plots按钮,选择BPSK、DPSK、QPSK。并在

31、右侧窗口内选中3中生成的新窗口“Overlay W9:”信息条，使之变成反白显示，最后单击OK按钮即可显示出对比覆盖误码率。5仿真结果分析及结论 5.1波形的分析5.1.1 BPSK与DPSK的调制解调输入输出波形图5.1.1 BPSK（左）与DPSK（右）的调制解调输入输出波形与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才能唯一确定信息符号（图5.1.1）。这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。这就避免了2PSK方式中的“倒”现象发生。由于相对

32、移相调制无“反问工作”问题，因此得到广泛的应用。5.1.2 BPSK与DPSK的调制解调输入输出波形图5.1.2 BPSK（左）与QPSK（右）的调制解调输入输出波形 与BPSK的波形不同，QPSK波形的发生了明显的变化（图5.1.2），出现了四种相位。而且对于输出波形的观察也必须将输入延时一个码元才能对比看到输出结果。这就证明传输相同的码元QPSK的数度要比BPSK快， 几乎接近两倍。5.2功率谱分析5.2.1 BPSK与DPSK的调制信号功率谱2DPSK和2PSK信号具有相同形式的表达式，所不同的是2PSK表达式中的s(t)是数字基带信号，2DPSK表达式中的s(t)是由数字基带信号变换而

33、来的差分码数字信号。据此，2DPSK与2PSK信号有相同的功率谱（图5.2.1）。5.2.2 BPSK与QPSK的调制信号功率图5.2.1 BPSK与DPSK的调制信号功率谱谱四相绝对相移键控信号可以看成是两个正交2PSK信号合成，因此它们的功率谱分布规律相同（图5.2.2）。但由于QPSK调制效率高因此二者同时有所差别。图5.2.2 BPSK与QPSK的调制信号功率谱 5.3星座图的分析BPSK与QPSK的调制信号相位变化星座图（图5.3）反映了QPSK的传输速度比BPSK快。在传送相同的信息时QPSK的相位变化快，可携带信息多，能够适应信道中各种变化，因此常被用到远距离高速传输的卫星上。图

34、5.3 BPSK与QPSK的调制信号星座图 5.3误码率的分析5.3.1 BPSK与DPSK系统误码率的比较分析在相同的信噪比r下相干2PSK比同步检测DPSK的误码率低（图5.3.1.1）。并且仿真结果非常接近实际经过多次测量的值，对比图如下图5.3.1.2。在相同的误码率下信噪比要求相干2PSK比同步检测DPSK小，因此在抗加性高斯白噪声方面相干2PSK比同步检测DPSK性能好。图5.3.1.1 BPSK（下）与DPSK（上）误码率比较 图5.3.1.2 BPSK、DPSK仿真误码率与理论值比较5.3.2 BPSK与QPSK系统误码率的比较分析BPSK与QPSK几乎有相同的误码率。但由于四

35、相绝对相移键控信号的调制解调有“串/并转换器”和“并/串转换器”因此在仿真时有一定的误差。图5.3.2. BPSK（下）与QPSK（上）误码率比较进过仿真分析得到DPSK能够解决BPSK的“倒”现象。相干2PSK比同步检测DPSK的误码率低，抗噪声能好。多进制调制解调系统QPSK不仅调制效率高，而且在抗噪声性能方面有优势。6小结通过此次通信原理仿真软件的课程设计我得到了双方面的锻炼。一方面我巩固和掌握了通信原理所学知识。经过仿真电路的分析，对数字调制系统的二进制和多进制相移调制解调的原理理解更深。另一方面通过对仿真软件的使用，进行相应的操作，完成系统设计、分析的全过程。我不仅明白了软件的作用，而且学会了分析通信系统性能常用的方法，有许多意外的收获。同时我提高了分析问题和解决问题的能力，增强了独立工作的能力。此次课程设计让我的身心也得到了改善，自身素质也有所提高。同时也培养了我与同学之间的团队合作、共同探讨、共同前进的精神。这过程中我受到了*老师精心指导和帮助，在这里我衷心的感谢老师！参考文献1 樊昌信，张甫翊，徐炳祥等.通信原理.五版.北京：国防工业出版社，2006，3.