基于Systemview的二进制数字频带传输系统设计——2PSK系统

1、基于Systemview的二进制数字频带传输系统设计2PSK系统1、技术指标：（1）设计出规定的2PSK数字通信系统的结构； （2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）； （3）用Matlab或SystemView 实现该数字通信系统； （4）观察仿真并进行波形分析； （5）系统的性能评价。2、基本原理；二进制移相键控（2PSK）的基本原理：2PSK,二进制移相键控方式，是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的一种数字调制方式。就是根据数字基带信号的两个电平(或符号)使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。两个载波相位通常相差180度，此时称为

2、反向键控(PSK),也称为绝对相移方式。3、建立模型描述；（1）2PSK信号的产生2PSK的产生：模拟法和数字键控法，就模拟调制法而言，与产生2ASK信号的方法比较，只是对s(t)要求不同，因此2PSK信号可以看作是双极性基带信号作用下的DSB调幅信号。而就键控法来说，用数字基带信号s(t)控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时s(t)为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。 2PSK信号与2ASK信号的时域表达式在形式上是完全相同的，所不同的只是两者基带信号s(t)的构成，一个由双极性NRZ码组成，另一个由单极性NRZ码组成。因此，求2PSK信号的功率谱密度时，也可采用与求2ASK

3、信号功率谱密度相同的方法。（2）2PSK信号的功率谱 2PSK信号的功率谱密度及其功率谱示意图如下:   分析2PSK信号的功率谱：（1）当双极性基带信号以相等的概率（p=1/2）出现时，2PSK信号的功率谱仅由连续谱组成。而一般情况下，2PSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中，连续谱取决于基带信号经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定（2）2PSK的连续谱部分与2ASK信号的连续谱基本相同因此，2PSK信号的带宽、频带利用率也与2ASK信号的相同    其中，数字基带信号带宽。这就表明，在数字调制中，2PSK的

4、频谱特性与2ASK相似。相位调制和频率调制一样，本质上是一种非线性调制，但在数字调相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化。这样一来，数字调相同线性调制的数字调幅就联系起来了，为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。（3）2PSK的解调系统2PSK信号属于DSB信号,它的解调,不再能采用包络检测的方法,只能进行相干解调。2PSK相干解调系统框图及个测试行波形如下：5.1-1 2PSK相干解调系统框图及各个测试点波形利用Costas环对2PSK信号进行解调2PSK 调制和Costas环解调系统组成如下图所示：图2 2PSK 调制和Costas环解

5、调系统组成4、模型组成模块功能描述（或程序注释）Systemview软件对2PSK系统进行仿真 2PSK信号的产生-1 键控法产生2PSK信号框图其中：Token0：PN码源，参数：Amp1v、Offset0v、Rate10Hz、No.of levels2；Token1：乘法器；Token2：正弦载波信号源，参数：Amp1v、Offset0v、Rate10Hz；Token3：Systemview观察窗；Token4：Realtime观察窗；分析：键控法产生2PSK信号，用数字基带信号s(t)控制开关电路，选择不同相位的载波输出，我选用的s(t)为双极性NRZ脉冲序列信号。 仿真结果如下：-2

6、2PSK信号的波形分析：2PSK信号与2ASK信号的时域表达式在形式上是完全相同的，所不同的只是两者基带信号的构成，一个由双极性NRZ码组成，另一个由单极性NRZ码组成。4.2 2PSK相干解调系统 2PSK相干解调系统框图其中：Token1，2，14，3，4:Realtime观察窗；Token0：PN码源，参数：Amp1v、Offset0v、Rate10Hz、No.of levels2；Token5,10：乘法器；Token9：加法器；Token11：巴特沃斯低通滤波器，截止频率为15Hz（因为原始调制信号为10Hz）；Token12：抽样判决器；Token6：高斯噪声源；Token7，8，

7、13：正弦载波信号源，Amp1v、Offset0v、Rate50Hz（因不是实际工程应用，所以取低频率以便于仿真观察），其中Token13因需要作为抽样判决器的判决门限应将其Amp设为0分析：2PSK信号相干解调的过程实际上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称为极性比较法解调。由于2PSK信号实际上是以一个固定初相的末调载波为参考的，因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载波的相位发生变化，如0相位变为相位或相位变为0相位，则恢复的数字信息就会发生“0”变“1”或“1”变“0”，从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相，而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒”现

8、象或“反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，造成反向工作。这也是它实际应用较少的主要原因。仿真结果如下： 图-2 2PSK相干解调系统框图分析：以上波形从上到下依次是调制信号波形、2PSK波形、相乘输出波形、滤波后的波形、抽样判决后输出波形。2PSK信号的频谱和功率谱：图 2PSK信号的频谱和功率谱分析：2PSK信号的功率谱特点：（1）当双极性基带信号以相等的概率（p=1/2）出现时，2PSK信号的功率谱仅由连续谱组成。而一般情况下，2PSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中，连续谱取决于数字基带信号s(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定。 （2）2

9、PSK的连续谱部分与2ASK信号的连续谱基本相同（仅差一个常数因子）。因此，2PSK信号的带宽、频带利用率也与2ASK信号的相同  误比特率BER分析（1）原理：误比特率（BER：Bit Error Rate）是指二进制传输系统出现码传输错误的概率，也就是二进制系统的误码率，它是衡量二进制数字调制系统性能的重要指标，误比特率越低说明抗干扰性能越强。对于多进制数字调制系统，一般用误符号率（Symble Error Rate）表示，误符号率和误比特率之间可以进行换算，例如采用格雷编码的MPSK系统，其误比特率和误符号率之间的换算关系近似为： 其中，M为进制数，且误比特率小于误符号率。（2

10、）2PSK系统BER分析的仿真分析系统图-1 2PSK系统BER分析的仿真分析系统其中各图符的名称和参数如下表所示：编号图符块属性（Attribute）类型（Type）参数设置（Parameters）0SourcePN SeqAmp=1v, Offset=0v, Rate=50Hz, Level=23,6SourceSinusoidAmp=1v, Freq=1000Hz, Phase= 0 deg4SourceGauss NoisePwr Density=0.007W/Hz, Mean=0v, System=50 ohms10OperatorGainGain Unit=dB Power, Ga

11、in=-30dB5OperatorLinear SysButterworth, Lowpass IIR, 5 Poles, Fc=200Hz1OperatorSamplerInterpolating, Rate=50Hz16CommBER RateNo.Trials=3 bits, Threshoid=0v, Offset=1 Sec25OperatorSmpl DelayFill Last register, Delay=1 samples15，1OperatorSamplerInterpolating, Rate=50Hz11SinkAnalysisStop Sink（停止接收计数器）24

12、SinkNumericFinal Value(终值接收计数器)26SinkGraphicSystemView（观察叠加的高斯噪声每次循环的强度变化）3030,SinkGraphic SystemView（观察原始调制信号的50Hz采样波形）27SinkGraphicSystemView（观察通过高斯噪声信道后相干解调得出的解调信号波形）对其中关键模块的功能和系统参数设置说明如下：此测试系统目的在于研究比特误码率（BER）与信号信噪比（SNR）之间的关系，信噪比是自变量，所以，仿真时钟应设置为循环模式，如下图所示：系统时钟设置其中循环次数设置为5，每次循环之前重置系统参数（必须）。模块4为高斯噪

13、声源，和模块10，7一起构成一个有噪信道，模块10为增益模块，受控的增益模块需要在系统菜单中设置全局关联变量，以便每个测试循环完成后将系统参数改变到下一个信噪比值。具体关联全局变量的操作如下图所示：全局变量关联菜单选择在“Tools”菜单中选择“Global Parameter Links”后出现如参数设置栏。在“Select Sysytem Token”中选择Token10（增益图符），在算术运算关系定义栏“Define Algebraic Relationship FGi,Vi”内将FGi,Vi的值设为-3*cl，cl为“Current Sysytem Loop”系统变量。设置完成之后结果

14、如下图所示：全局变量设置模块10为BER计数器，用以比较两路输入信号的误差，当误差超过“Threshold”参数中设置的门限时错误bit数加一。其输出有3种，本实验中选择1：Cummulative Avg（EBR的累积均值）模块11为停止接收计数器，与BER计数器错误总数输出相连，它的作用是当错误总数超过预定值时停止本次循环的仿真进入下一循环，其参数设置中“Threshold”用设置成预定的错误总数。“Select Action”选项应选择“Go To Next Loop”。设置完成之后如下图所示：仿真分析图-2 叠加高斯噪声强度随循环每次减小3dB变化图-3 随解调信号SNR改变的BER曲线

15、分析：输入的2PSK信号功率保持不变，而叠加的高斯噪声功率逐次（-3db）衰减，即SNR不断增加。系统的误信率一直在下降。5、调试过程及结论；调试中出的最大的纰漏便是将终值接收计算器图符弄错成 6、心得体会；经过本次课程设计，自己对Systemview软件有了一定的了解，并且又加深了自己对2ASK、2PSK的理解。在做课程设计的过程中出现了很多问题，但通过自己对Systemview软件的学习，问题被一一解决。比如在设计过程中,我开始把载波类型选择为余弦。这在原理上是没有问题的，但是如果这里选择余弦会有/2 的相位差, 由于余弦也为正弦类信号, 所以载波类型选择为正弦。在设计滤波器时, 要注意带

16、通滤波器的带宽等于已调信号的带宽, 在做2FSK时我随便选的带宽，电路虽然对，但是结果不对。自己找了好久才发现原因。比如: 基带频率选择10Hz,载波频率选择100Hz, 则带通滤波器的低频选90 Hz,高频选110 Hz。低通滤波器的带宽等于调制信号的带宽。如果基带频率选择10Hz, 低通滤波器的最高截至频率选10 Hz, 同时还要注意时延的计算等于脉冲宽度, 比如基带频率选择10Hz,时延为0.1ms.理论上完全正确, 但是如果选0.1ms, 仿真时会有毛刺和误码, 考虑到这一点, 时延的选择在0.1ms 的基础上偏移一点, 选0.099ms 再仿真就解决了毛刺和误码问题。2、2ASK、2

17、PSK、2FSK、2DPSK系统比较若传输的码元时间宽度为Ts，则2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度近似为2/Ts，即 ；2FSK系统的频带宽度近似为 ；2FSK系统的频带宽度大于2ASK系统或2PSK系统的频带宽度。因此，从频带利用率上看，2FSK系统的频带利用率最低。如果要求较高的频带利用率，则应选择相干2PSK和2DPSK，而2FSK最不可取。在2FSK系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，不需要人为地设置判决门限，因而对信道的变化不敏感。在2PSK系统中，当发送符号概率相等时，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。因此判决门限不随

18、信道特性的变化而变化，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2(当P(1)=P(0)时)，它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度将随着发生变化，从而导致最佳判决门限也将随之而变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，因此，2ASK对信道特性变化敏感，性能最差。在恒参信道传输中，如果要求较高的功率利用率，则应选择相干2PSK和2DPSK，而2ASK最不可取；若传输信道是随参信道，则2FSK具有更好的适应能力。 相干解调比非相干解调复杂，非相干解调时,2DPSK最复杂，2FSK次之，2ASK最简单。2DPSK>2FSK>2ASK。但是相干解调的误码率更低。例如：比较2DPSK在本此次课程设计中用到的两种解调方式：极性比较法和差分相干解调。两种方法均能实现2DPSK信号的解调,并恢复出2PSK基带信号。从所使用的图符上比较,极性比较法比差分相干解调法多用了两个设备,一是本地载波,而本地载波对2DPSK