基于SystemView的单载波调制解调系统性能对比

内蒙古工业大学信息工程学院电子系 张之越



基于SystemView的单载波调制解调系统性能对比

内蒙古工业大学信息工程学院电子系 张之越

【摘要】本文对比介绍了单载波调制解调系统BPSK与2DPSK，QPSK与OQPSK的性能，并在SystemView平台上分别构建了各技术的调制解调模型。通过使用分析窗口和接收计算器，对比观察了各系统抗噪声性能和频谱。验证了在相同信噪比条件下，BPSK误码率小于2DPSK和QPSK，QPSK误码率与OQPSK相同，但BPSK频谱利用率低于QPSK的结论。最后给出了建议。

【关键词】单载波调制解调系统；误码率；频谱利用率；SystemView

数字通信技术由于其易于实现、性价比高、抗干扰性强等多种优势取代了模拟通信技术成为现代通信技术的主流，而单载波调制技术BPSK、QPSK是现代通信技术中比较重要的调制方式。随着电子设计EDA的兴起，我们利用SystemView软件能高效地实现多种通信系统的仿真以做到实际系统的可行性研究及优劣性对比。SystemView作为一种通信系统仿真软件，由于其操作简单、模块化编程、界面友好，逐渐成为通信专业人士的仿真工具。其内置的接收计算器，拥有复合快速傅里叶变换、频谱分析及各种分析窗图等强大功能，以便使用者进行复杂的通信系统分析和处理［1］。本文将以各种通信系统为例详细说明如何利用SystemView构建各个系统并分析。

1　单载波调制技术性能

1.1BPSK、2DPSK性能对比

已知2PSK信号相干解调系统总误码率：

在2DPSK相干解调系统中，设码反变换器的输入误码率为Pe，则输出码元发生错码的概率为：

将1式带入2式可求得2DPSK信号采用相干加反变换器解调时的误码率是。当系统为大信噪比时，上式可简化为：

根据公式（3）可得最终结论，BPSK和2DPSK采用相干解调方式时，BPSK的误码率仅为2DPSK误码率的一半。换言之，在此种相干解调方式下，BPSK的抗噪声性能更好。

1.2QPSK、OQPSK性能对比

根据BPSK的相干解调误码率公式1，用r/2替代上述公式的r，则误码率为。其正确概率是，所以QPSK信号的解调错误率为。在QPSK调制体制中，相邻码元的相位差都过大。为减小这种相邻码元相位差过大而导致的相位突变所引起的包络起伏，引入OQPSK。这种减小相位突变的方法是，将a、b两路信号错开半个码元，以使突变相位最大只能为90°来实现的。由于相位跳变相对较小，其频谱特性要优于QPSK。并且OQPSK对频带加宽和边瓣等有害现象不敏感，所以OQPSK能得到高效率的放大［2］。OQPSK的系统抗噪声性能与QPSK一样，拥有相同的功率谱。

2　基于SystemView的仿真设计

2.1BPSK、2DPSK系统仿真

BPSK系统搭建如图1所示。Token24是幅值为1，频率500Hz的PN伪随机序列。将其作为调制信号与Token13，即幅值为1，频率为5KHz的正弦载波相乘得到BPSK已调信号。通过Token17的加法器与Token16，std-deviation参数为100e-3的高斯白噪声相加来模拟有扰信道的加性噪声。至此，模拟发射调制过程全部完成。解调采用相干解调法，首先通过Token18上截止频率为7KHz，下截止频率为3KHz的切比雪夫带通滤波器滤初杂波。之后与跟本地载波同频同相的正弦波相乘实现解调。再经过Token22低通截止频率为3KHz的巴特沃斯滤波器滤除高频载波。最终通过抽样判决、保持得到最终波形。Token28、29、71的采样频率为5KHz。系统采样频谱40KHz，采样点数4096，运行时间102.375e-3s，循环次数4次。

图1　BPSK调制解调仿真系统

2DPSK系统是通过差分编码，即使用相对码而非绝对码来编码的。所以，在本仿真系统中加入Token37异或运算器进行差分编码。通过将采样后的源信号延迟一个码元，再与源信号进行异或运算即模二加，将相对相移储存在编码中。2DPSK系统如图2所示。为了方便比较，系统参数及其它各模块参数与BPSK完全相同。解调方式采用DPSK差分相干解调法，将通过带通滤波器的信号经过Token66延迟一个码元周期T，再与原信号相乘完成相干解调。

图2　2DPSK调制解调仿真系统

2.2QPSK、OQPSK系统仿真

QPSK系统搭建如图3所示。实现QPSK的基本想法是，通过实现两个BPSK调制信号相加，既可得到QPSK调制信号。首先，系统先进行串并转换变为两路并行低速率信号。源信号为频率500Hz的PN伪随机序列，采样器的采样速率为250Hz。在串并转换中，先对一路信号延迟Ts，目的是将两路信号“错开”。之后分别与2KHz的本地载波相乘，再将两路信号相加得到QPSK调制信号。QPSK解调同样也采用相干解调的方法。已调信号与本地载波相乘后，两路信号分别通过Token51和Token52截止频率650Hz的巴特沃斯低通滤波器滤波。Token68和69模拟群时延。之后通过抽样判决得到两路并行信号。最后进行并串转换，用250Hz的方波分别对两路信号取出正交和同相的信息［3］，再使用Token95延迟器将Q通路延迟一个Ts，两路相加既可得到最终解调信号。系统抽样速率10KHz，采样点数1001，运行时间100e-3s，循环次数4次。

图3　QPSK调制解调仿真系统

为了便于与QPSK进行对比，OQPSK的系统及各模块参数与QPSK相同。在搭建系统时，只需在QPSK系统的基础上串并转换后，将正交一路信号延迟Ts/2的时间既可实现OQPSK功能，达到防止180°相位突变的目的。Token99和Token100延迟器实现了此功能。

图4　OQPSK调制解调仿真系统

3　基于SystemView的对比仿真分析

3.1BPSK、2DPSK抗噪声性能对比

为比较两种系统的BER，在设计仿真系统时，各模块的参数包括系统参数都是一样的。将Token76、Token77设置为BER模式。通过设置系统运行次数为4次，使用观察模块sink68和sink73多次观察和比较两种系统的BER。系统运行得出BER如图5所示。

图5　BPSK、2DPSK的BER数据对比图

由图5平均值计算可得，本系统在相同信噪比的条件下，BPSK采用相干解调方式的误码率比2DPSK小82%。

3.2QPSK、OQPSK抗噪声性能对比

同理在QPSK、OQPSK系统中，设置Token101、Token102为BER模式。系统运行次数为4次。使用观察模块sink102、sink103观察两系统的BER对比图如图6所示。

图6　QPSK与OQPSK系统BER对比图

由图6平均值计算可得，本系统在相同信噪比条件下，OQPSK的误码率仅比QPSK小3.3%，可以近似认为相同。误差源于样本数量小。通过Final Value Sink68、102的对比可知，本系统在相同信噪比条件下，BPSK的误码率比QPSK误码率小83.8%。

3.3BPSK、QPSK频谱分析对比

在SystemView的接收计算器中，选择Spectrum选项的|FFT|得到BPSK、QPSK调制信号的频谱分析图如图7和图8。

图7　BPSK调制信号频谱图

图8　QPSK调制信号频谱图

两系统源信号码元速率都为500Hz。由图7和图8可知，此BPSK仿真系统的频带带宽大约为800Hz，而QPSK仿真系统的频带带宽大约为400Hz，BPSK带宽是QPSK的2倍。由理论可知，在相同码元速率的情况下，QPSK信息速率是BPSK的2倍，所以本系统中的QPSK频带利用率是BPSK的4倍。可得结论，在信息速率不变的情况下，通过增加进制数可以降低码元速率并减小信号带宽，从而节约频带资源以提高系统的频带利用率。

4　结论

本文使用SystemView软件搭建了BPSK、2DPSK、QPSK、OQPSK调制解调系统，并通过对比分析误码率和频谱图，验证了在相同信噪比条件下，各单载波调制解调系统的性能优劣。

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作者简介：

张之越（1993—），广东深圳人，大学本科，现就读于信息工程学院2012级，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