2DPSK多參數(shù)調(diào)整通信系統(tǒng)仿真分析

林 青，鄭 杰

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東青島 266580）

0 引言

通信原理課程實(shí)驗(yàn)，大部分高校主要是利用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行。針對(duì)這部分的調(diào)制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，其特點(diǎn)是各個(gè)模塊都已集成，其參數(shù)均已給定，并且采用的理想信道，這種情況下，學(xué)生利用示波器觀察調(diào)制及解調(diào)波形，觀察眼圖情況，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性的，比較理想化。缺乏實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的工程性、實(shí)驗(yàn)方法的多樣性和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的探究性。因此，設(shè)計(jì)了二級(jí)制差分相移鍵控（Binary Differential Phase shift Keying，2DPSK）多參數(shù)調(diào)整通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生根據(jù)2DPSK 調(diào)制解調(diào)基本原理自行設(shè)計(jì)各個(gè)模塊的參數(shù)，并且可設(shè)計(jì)高斯白噪聲信道中的噪聲，利用示波器觀察其解調(diào)波形的及眼圖的變化，還可以分析高斯白噪聲信道對(duì)2DPSK通信系統(tǒng)的可靠性影響。讓學(xué)生利用通信系統(tǒng)的基本原理判斷和識(shí)別通信工程問(wèn)題中各環(huán)節(jié)的參數(shù)。

1 調(diào)制模塊直接建模仿真

Simulink 通信模塊庫(kù)中有調(diào)制解調(diào)模塊，選用調(diào)制模塊（M-DPSK Modulator Baseband）和解調(diào)模塊（MDPSK Demodulator Baseband），就可以直接對(duì)二進(jìn)制序列完成調(diào)制解調(diào)。由于任何通信系統(tǒng)中，都包含加性高斯白噪聲，故選用的是加性高斯白噪聲信道模塊（AWGN-Channel），信號(hào)源采用的是伯努利隨機(jī)數(shù)字信號(hào)源模塊（Bernoulli Binary）來(lái)完成2DPSK的建模仿真。為方便觀察眼圖、計(jì)算系統(tǒng)誤碼率，選用眼圖模塊（Discrete-Time Eye Diagram Scope）及計(jì)算誤碼率模塊（Error Rate Calculation），得到圖1 所示的仿真圖。

圖1 2DPSK系統(tǒng)仿真模型（直接法）

1.1 眼圖

眼圖能夠直觀觀察通信系統(tǒng)碼間串?dāng)_和信道噪聲等因素的影響情況，估計(jì)通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。在傳輸二進(jìn)制信號(hào)波形時(shí)，示波器顯示的圖形很像人的眼睛，故名眼圖。眼圖線跡越細(xì)越清晰，說(shuō)明系統(tǒng)的碼間串?dāng)_及噪聲影響越小，反之，就越大。

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)中，采用的是理想信道及比較理想的調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)，所以觀察到的眼圖也比較理想。在仿真系統(tǒng)中，學(xué)生可更改信道噪聲的平均功率，修改碼間串?dāng)_的大小，方便查看眼圖隨噪聲及碼間串?dāng)_的變化。圖2（a）所示為AWGN信道的噪聲平均功率為0 時(shí)的眼圖，可見(jiàn)，眼圖較大，接近課本上描述的理論值。圖2（b）、（c）所示分別為噪聲平均功率為0.05、0.2，存在一定碼間串?dāng)_情況下的眼圖，可見(jiàn)，噪聲及碼間串?dāng)_越大，眼圖張開(kāi)的越小，輪廓線跡越模糊，過(guò)零點(diǎn)失真越大。

圖2 眼圖

1.2 系統(tǒng)可靠性

通信系統(tǒng)的可靠性可以用誤碼率來(lái)衡量。在仿真模型中，利用程序不斷改變AWGN 中噪聲的平均功率，即信噪比，可以得到2DPSK 系統(tǒng)誤碼率隨信噪比變化曲線，如圖3 所示。由仿真結(jié)果可見(jiàn)，信噪比越大，誤碼率越小，即2DPSK 系統(tǒng)的可靠性越好。同時(shí)為了比較，增加了二進(jìn)制相位鍵控（Binary Phase shift Keying，2PSK）系統(tǒng)誤碼率隨信噪比變化的曲線，由圖3 可以見(jiàn)，在相同的信噪比下，2PSK 的抗噪聲干擾性能優(yōu)于2DPSK，但2PSK中存在反向工作現(xiàn)象。

圖3 系統(tǒng)誤碼率曲線

2 利用2DPSK原理建模仿真

由于直接利用M-DPSK Modulator Baseband 模塊得到的是星座圖，無(wú)法觀察到調(diào)制波形，并且利用MDPSK Demodulator Baseband模塊，無(wú)法根據(jù)2DPSK原理來(lái)設(shè)置接收端接收濾波器以及低通濾波器參數(shù)設(shè)置，不能很好地理解2DPSK 的原理?；诖?，設(shè)計(jì)了2DPSK原理仿真模型，如圖4 所示。

圖4 2DPSK系統(tǒng)仿真模型圖

在通信系統(tǒng)中，最重要的是根據(jù)原理結(jié)合實(shí)踐對(duì)各個(gè)模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。并且改變信號(hào)源與載波參數(shù)，讓學(xué)生重新設(shè)置參數(shù)。

隨機(jī)信號(hào)源：

式中：ɑn為相對(duì)序列，以概率p出現(xiàn)時(shí)為-1，以概率1 -p出現(xiàn)時(shí)為1；g(t) 為矩形脈沖；TS為碼元寬度。

載波信號(hào)：

式中，ωc為載波頻率。

調(diào)制信號(hào)：

調(diào)制信號(hào)的功率譜：

式中，R2DPSK(τ)為e2DPSK(t)的相關(guān)函數(shù)。

經(jīng)推導(dǎo)可得：

由式（5）可見(jiàn)，2DPSK 信號(hào)的中心頻率是fc，帶寬是2fs。在設(shè)計(jì)接收端帶通濾波器時(shí)，其理論值應(yīng)該是中心頻率為fc，帶寬為2fs，但在仿真平臺(tái)上，帶通濾波器的參數(shù)值應(yīng)該是按照工程值來(lái)取，其帶寬值都要比理論值大一些。同理，也可以設(shè)定接收端的低通濾波器的截止頻率。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要求學(xué)生多次改變信號(hào)源及載波的頻率，根據(jù)原理重新設(shè)定接收端各環(huán)節(jié)的參數(shù)值。可以結(jié)合原理，參考頻譜分析模塊Spectrum Analyzer，設(shè)置接收端各模塊參數(shù)。重點(diǎn)是讓學(xué)生掌握2DPSK 的調(diào)制解調(diào)原理，理解2DPSK 信號(hào)波形的特點(diǎn)：“1”變“0”不變，學(xué)會(huì)用模塊Spectrum Analyzer查看其頻譜搬移過(guò)程。實(shí)驗(yàn)波形如圖5、6 所示。

圖5 信號(hào)波形

圖6 信號(hào)功率譜密度函數(shù)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生必須在完全掌握2DPSK的調(diào)制解調(diào)原理，經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析，準(zhǔn)確地計(jì)算，結(jié)合工程的應(yīng)用，才能確定各個(gè)模塊參數(shù)，得出正確的結(jié)論。

3 結(jié)語(yǔ)

由于通信原理實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證性的，為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了多參數(shù)調(diào)整的仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以利用Simulink進(jìn)行仿真，也可以利用Matlab 編寫(xiě)程序完成實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)不僅調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，同時(shí)也取得了良好的教學(xué)效果。

·名人名言·

科學(xué)需要幻想，發(fā)明貴在創(chuàng)新。

——愛(ài)迪生