基于SystemView的單載波調制解調系統性能對比

內蒙古工業大學信息工程學院電子系 張之越

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基于SystemView的單載波調制解調系統性能對比

內蒙古工業大學信息工程學院電子系 張之越

【摘要】本文對比介紹了單載波調制解調系統BPSK與2DPSK，QPSK與OQPSK的性能，并在SystemView平臺上分別構建了各技術的調制解調模型。通過使用分析窗口和接收計算器，對比觀察了各系統抗噪聲性能和頻譜。驗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的結論。最后給出了建議。

【關鍵詞】單載波調制解調系統；誤碼率；頻譜利用率；SystemView

數字通信技術由于其易于實現、性價比高、抗干擾性強等多種優勢取代了模擬通信技術成為現代通信技術的主流，而單載波調制技術BPSK、QPSK是現代通信技術中比較重要的調制方式。隨著電子設計EDA的興起，我們利用SystemView軟件能高效地實現多種通信系統的仿真以做到實際系統的可行性研究及優劣性對比。SystemView作為一種通信系統仿真軟件，由于其操作簡單、模塊化編程、界面友好，逐漸成為通信專業人士的仿真工具。其內置的接收計算器，擁有復合快速傅里葉變換、頻譜分析及各種分析窗圖等強大功能，以便使用者進行復雜的通信系統分析和處理［1］。本文將以各種通信系統為例詳細說明如何利用SystemView構建各個系統并分析。

1　單載波調制技術性能

1.1BPSK、2DPSK性能對比

已知2PSK信號相干解調系統總誤碼率：

在2DPSK相干解調系統中，設碼反變換器的輸入誤碼率為Pe，則輸出碼元發生錯碼的概率為：

將1式帶入2式可求得2DPSK信號采用相干加反變換器解調時的誤碼率是。當系統為大信噪比時，上式可簡化為：

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

1.2QPSK、OQPSK性能對比

根據BPSK的相干解調誤碼率公式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信號的解調錯誤率為。在QPSK調制體制中，相鄰碼元的相位差都過大。為減小這種相鄰碼元相位差過大而導致的相位突變所引起的包絡起伏，引入OQPSK。這種減小相位突變的方法是，將a、b兩路信號錯開半個碼元，以使突變相位最大只能為90°來實現的。由于相位跳變相對較小，其頻譜特性要優于QPSK。并且OQPSK對頻帶加寬和邊瓣等有害現象不敏感，所以OQPSK能得到高效率的放大［2］。OQPSK的系統抗噪聲性能與QPSK一樣，擁有相同的功率譜。

2　基于SystemView的仿真設計

2.1BPSK、2DPSK系統仿真

BPSK系統搭建如圖1所示。Token24是幅值為1，頻率500Hz的PN偽隨機序列。將其作為調制信號與Token13，即幅值為1，頻率為5KHz的正弦載波相乘得到BPSK已調信號。通過Token17的加法器與Token16，std-deviation參數為100e-3的高斯白噪聲相加來模擬有擾信道的加性噪聲。至此，模擬發射調制過程全部完成。解調采用相干解調法，首先通過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現解調。再經過Token22低通截止頻率為3KHz的巴特沃斯濾波器濾除高頻載波。最終通過抽樣判決、保持得到最終波形。Token28、29、71的采樣頻率為5KHz。系統采樣頻譜40KHz，采樣點數4096，運行時間102.375e-3s，循環次數4次。

圖1　BPSK調制解調仿真系統

2DPSK系統是通過差分編碼，即使用相對碼而非絕對碼來編碼的。所以，在本仿真系統中加入Token37異或運算器進行差分編碼。通過將采樣后的源信號延遲一個碼元，再與源信號進行異或運算即模二加，將相對相移儲存在編碼中。2DPSK系統如圖2所示。為了方便比較，系統參數及其它各模塊參數與BPSK完全相同。解調方式采用DPSK差分相干解調法，將通過帶通濾波器的信號經過Token66延遲一個碼元周期T，再與原信號相乘完成相干解調。

圖2　2DPSK調制解調仿真系統

2.2QPSK、OQPSK系統仿真

QPSK系統搭建如圖3所示。實現QPSK的基本想法是，通過實現兩個BPSK調制信號相加，既可得到QPSK調制信號。首先，系統先進行串并轉換變為兩路并行低速率信號。源信號為頻率500Hz的PN偽隨機序列，采樣器的采樣速率為250Hz。在串并轉換中，先對一路信號延遲Ts，目的是將兩路信號“錯開”。之后分別與2KHz的本地載波相乘，再將兩路信號相加得到QPSK調制信號。QPSK解調同樣也采用相干解調的方法。已調信號與本地載波相乘后，兩路信號分別通過Token51和Token52截止頻率650Hz的巴特沃斯低通濾波器濾波。Token68和69模擬群時延。之后通過抽樣判決得到兩路并行信號。最后進行并串轉換，用250Hz的方波分別對兩路信號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Ts，兩路相加既可得到最終解調信號。系統抽樣速率10KHz，采樣點數1001，運行時間100e-3s，循環次數4次。

圖3　QPSK調制解調仿真系統

為了便于與QPSK進行對比，OQPSK的系統及各模塊參數與QPSK相同。在搭建系統時，只需在QPSK系統的基礎上串并轉換后，將正交一路信號延遲Ts/2的時間既可實現OQPSK功能，達到防止180°相位突變的目的。Token99和Token100延遲器實現了此功能。

圖4　OQPSK調制解調仿真系統

3　基于SystemView的對比仿真分析

3.1BPSK、2DPSK抗噪聲性能對比

為比較兩種系統的BER，在設計仿真系統時，各模塊的參數包括系統參數都是一樣的。將Token76、Token77設置為BER模式。通過設置系統運行次數為4次，使用觀察模塊sink68和sink73多次觀察和比較兩種系統的BER。系統運行得出BER如圖5所示。

圖5　BPSK、2DPSK的BER數據對比圖

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

3.2QPSK、OQPSK抗噪聲性能對比

同理在QPSK、OQPSK系統中，設置Token101、Token102為BER模式。系統運行次數為4次。使用觀察模塊sink102、sink103觀察兩系統的BER對比圖如圖6所示。

圖6　QPSK與OQPSK系統BER對比圖

由圖6平均值計算可得，本系統在相同信噪比條件下，OQPSK的誤碼率僅比QPSK小3.3%，可以近似認為相同。誤差源于樣本數量小。通過Final Value Sink68、102的對比可知，本系統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頻譜分析對比

在SystemView的接收計算器中，選擇Spectrum選項的|FFT|得到BPSK、QPSK調制信號的頻譜分析圖如圖7和圖8。

圖7　BPSK調制信號頻譜圖

圖8　QPSK調制信號頻譜圖

兩系統源信號碼元速率都為500Hz。由圖7和圖8可知，此BPSK仿真系統的頻帶帶寬大約為800Hz，而QPSK仿真系統的頻帶帶寬大約為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，所以本系統中的QPSK頻帶利用率是BPSK的4倍。可得結論，在信息速率不變的情況下，通過增加進制數可以降低碼元速率并減小信號帶寬，從而節約頻帶資源以提高系統的頻帶利用率。

4　結論

本文使用SystemView軟件搭建了BPSK、2DPSK、QPSK、OQPSK調制解調系統，并通過對比分析誤碼率和頻譜圖，驗證了在相同信噪比條件下，各單載波調制解調系統的性能優劣。

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作者簡介：

張之越（1993—），廣東深圳人，大學本科，現就讀于信息工程學院2012級，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