基于systemview的2DPSK信号传输仿真.doc

实验报告
题目：基于SYSTEMVIEW的通信系统试验

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成绩：

用SystemView仿真实现
二进制差分相位键控（2DPSK）的调制

1、实验目的：
（1）了解2DPSK系统的电路组成、工作原理和特点；
（2）分别从时域、频域视角观测2DPSK系统中的基带信号、载波及已调信号；
（3）熟悉系统中信号功率谱的特点。

2、实验内容：
以PN码作为系统输入信号，码速率Rb＝20kbit/s。
（1）采用键控法实现2DPSK的调制；分别观测绝对码序列、差分编码序列，比较两序列的波形；观察调制信号、载波及2DPSK等信号的波形。
（2）获取主要信号的功率谱密度。

3、实验原理：
2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为Dj，可定义一种数字信息与Dj之间的关系为

则一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系如下表所示

数字信息与Dj 之间的关系也可以定义为

2DPSK信号调制过程波形如图1所示。
1 0 0 1 0 1 1 0

2

图1 2DPSK信号调制过程波形
可以看出，2DPSK信号的实现方法可以采用：首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示二进制信息，然后再进行绝对调相，从而产生二进制差分相位键控信号。2DPSK信号调制器原理图如图2所示。

图2 2DPSK信号调制器原理图

Q
D
CK

an
发送码时钟
dn-1
dn
其中码变换即差分编码器如图3所示。在差分编码器中：{an}为二进制绝对码序列，{dn}为差分编码序列。D触发器用于将序列延迟一个码元间隔，在SystemView中此延迟环节一般可不采用D触发器，而是采用操作库中的“延迟图符块”。

图3差分编码器

4、系统组成、图符块参数设置及仿真结果：
键控法：
采用键控法进行调制的组成如图4所示。

图4 键控法调制的系统组成
其中图符0产生绝对码序列，传码率为20kbit/s。图符1和图符2实现差分编码；图符3输出正弦波，频率为40k Hz；图符5对正弦波反相；图符4为键控开关。图符4输出2DPSK信号。图符的参数设置如表1所示。
表1：键控法图符参数设置表
编号
库/名称
参 数
0
Source: Sinusoid
Amp = 1 v Freq = 40e+3 Hz Phase = 0 deg
Output 0 = Sine t1 t4 t18
Output 1 = Cosine
Max Rate (Port 0) = 600e+3 Hz
1
Operator: Negate

Max Rate = 600e+3 Hz
2
Source: PN Seq
Amp = 1 v Offset = 0 v
Rate = 20e+3 Hz Levels = 2 Phase = 0 deg
3
Operator: Delay

Non-Interpolating Delay = 50.e-6 sec
Output 0 = Delay Output 1 = Delay - dT t5
4
Logic: SPDT

Switch Delay = 0 sec Threshold = 500.e-3 v
Input 0 = t0 Output 0 Input 1 = t1 Output 0
Control = t5 Output 0
5
Logic: XOR

Gate Delay = 0 sec Threshold = 0 v
True Output = 1 v False Output = -1 v
Rise Time = 0 sec Fall Time = 0 sec

系统定时：起始时间0秒，终止时间800e-6秒，采样点数321，采样速率400e+3Hz，获得的仿真波形如图5所示。

（a） 绝对码序列

（b） 相对码序列

（c）未调载波信号

（d）二相相对调相（2DPSK）信号
图5调制过程仿真波形
从图5（b）和（d）波形对比中可以发现，相对码序列中的“1”使已调信号的相位变化π相位；相对码的“0”使已调信号的相位变化0°相位。

绝对码~2DPSK信号的瀑布图如图6所示。

图6 绝对码和2DPSK的瀑布图

5、主要信号的功率谱密度：
系统定时：起始时间0秒，终止时间30e-3秒，采样点数1801，采样速率600e+3Hz。

调制信号的功率谱如图10所示。

图10 调制信号的功率谱
正弦载波的频谱如图11所示。

图11 正弦载波的频谱

2D PSK的功率谱如图12所示。

图12 2DPSK的功率谱

由图10可见，基带信号的大部分能量落在第一个零点（10kHz）的频率范围之内，即基带带宽为10kHz；又由图8（b）可见，相对码序列为双极性脉冲序列，不含有直流分量，所以，不含离散谱。
由图11可见，载频信号的频谱位于20kHz，且频谱较纯。
由图12可见，已调信号的频谱为DSB信号，因为调制信号为双极性不归零脉冲，用双极性不归零码对载波进行相乘的调制，可以达到抑制载波的目的，即已调信号的频谱中，只有载频位置，没有载波分量，频带宽度为20kHz。

6、思考题：
观察功率谱密度，PN序列的功率谱和2DPSK信号的功率谱中，有无离散分量？为什么？它们的带宽分别是多少？
答：PN序列的功率谱中没有离散分量：“0”、“1”等概的双极性不归零信号没有离散谱，无直流分量和位定时脉冲；B=fs=20KHz。2DPSK信号的功率谱没有离散分量：2DPSK信号可表示为双极性非归零二进制基带信号与正弦载波相乘 ；B=2fs=40KHz。
7、数据分析及心得体会：

用SystemView仿真实现
二进制差分相位键控（2DPSK）的解调
1、实验目的：
（1）了解2DPSK系统解调的电路组成、工作原理和特点；
（2）掌握2DPSK系统解调过程信号波形的特点；
（3）熟悉系统中信号功率谱的特点。
2、实验内容：
以2DPSK作为系统输入信号，码速率Rb＝10kbit/s。
（1）采用相干解调法实现2DPSK的解调，分别观察系统各点波形。
（2）获取主要信号的功率谱密度。
3、实验原理：
相干解调法：
2DPSK信号可以采用相干解调方式(极性比较法)，对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。解调器原理图和解调过程各点时间波形如图13(a)、(b)所示：

图13 2DPSK信号相干解调器原理图和解调过程各点时间波形

^

D
Q
CK
位同步时钟
dn

dn-1
^

an
^
^
其中码反变换器即差分译码器组成如图14所示。在差分译码器中：dn为差分编码序列，an为差分译码序列。D触发器用于将序列延迟一个码元间隔，在SystemView中此延迟环节一般可不使用D触发器，而是使用操作库中的“延迟图符块”。

图1 4 差分译码器

4、 系统组成、图符块参数设置及仿真结果：
相干解调法：
相干解调法的系统组成如图16 所示。

图 16 相干解调法的系统组成
其中，图符11为带通滤波器，图符13实现相干载波的提取，图符12为乘法器，图符15为低通滤波器，图符16、17、18实现抽样判决，图符19、20实现差分解码。图符19输出再生的绝对码。图符的参数设置如表3所示。

表3：相干解调法图符参数设置表
编号
库/名称
参 数
9
Butterworth Bandpass IIR

3 Poles Low Fc = 20e+3 Hz
Hi Fc = 60e+3 Hz Quant Bits = None
Init Cndtn = Transient DSP Mode Disabled
FPGA Aware = True RTDA Aware = Full
10
Multiplier:Non Parametric
Inputs from 11 9
Outputs to 12 23
11
Comm: Costas

VCO Freq = 40e+3 Hz VCO Phase = 0 deg Mod Gain = 1 Hz/v
Loop Fltr = 1 + 1/s + 1/s^2 Output 0 = Baseband InPhase
Output 1 = Baseband Quadrature Output 2 = VCO InPhase
Output 3 = VCO Quadrature t10 t25 RTDA Aware = Full
12
Operator: Linear Sys
Bessel Lowpass IIR
3 Poles Fc = 16e+3 Hz Quant Bits = None Init Cndtn = Transient
DSP Mode Disabled FPGA Aware = True RTDA Aware = Full
13
Operator: Sampler
Interpolating Rate = 20e+3 Hz Aperture = 0 sec Aperture Jitter = 0 sec
14
Operator: Hold

Last Value ，Gain = 1 ，Out Rate = 400e+3 Hz
False Output = -1 v，Rise Time = 0 sec，Fall Time = 0 sec
15
Logic: Buffer

Gate Delay = 0 sec Threshold = 0 v True Output = 1 v False Output = -1 v Rise Time = 0 sec Fall Time = 0 sec
16
Logic: XOR

Gate Delay = 0 sec Threshold = 0 v True Output = 1 v False Output = -1 v Rise Time = 0 sec Fall Time = 0 sec
17
Operator: Delay
Non-Interpolating Delay = 50.e-6 sec
Output 0 = Delay t16 Output 1 = Delay - dT
调制信号为PN序列，码速率Rb＝10kbit/s；正弦载波的频率为20k Hz。
系统定时：起始时间0秒，终止时间800e-6秒，采样点数321，采样速率400e+3Hz，获得的仿真波形如图17所示。

（a）二相相对调相（2DPSK）信号

（b）带通滤波器的输出

（c）提取的相干载波

（d）乘法器的输出

（e）低通滤波器的输出

（f）解调输出的相对码

（g）解调输出的绝对码
图17相干解调过程的仿真波形

2DPSK系统输入的PN序列和输出PN序列的瀑布图如图18.1所示。

图18.1 2DPSK系统输入的PN序列和输出PN序列的瀑布图

2DPSK信号输入~输出PN序列的瀑布图如图18.2所示

图18.2 2DPSK信号输入~输出PN序列的瀑布图

眼图如图19所示。

图19 眼图
图19的眼图是没有加噪声情况下的仿真结果，眼图张开度较大，扫迹清晰。

信噪比0dB时的眼图

信噪比5dB时的眼图

信噪比20dB时的眼图

信噪比30dB时的眼图
可以看出随着信噪比的增加，眼图质量越来越好。
5、 主要信号的功率谱密度：
系统定时：起始时间0秒，终止时间30e-3秒，采样点数24001，采样速率800e+3Hz，获得的仿真波形如图24所示

图24 2DPSK的谱
乘法器输出信号的谱如图25所示。

图25 乘法器输出信号的谱

输出PN序列的基带谱如图26所示。

图26 输出PN序列的基带谱
通过比较相干解调法和非相干解调法可以看出，相干解调法需要提取相干载波，还要进行码反变换，即将相对码变换为绝对码；而非相干解调法不需要提取相干载波，也不需要进行码反变换。
6、低通&带通滤波器的单位冲击相应及幅频特性曲线：

图27低通滤波器的单位冲击相应 图28低通滤波器的幅频特性曲线

图29带通滤波器的单位冲击相应 图30带通滤波器的幅频特性曲线

7、思考题：
与相干解调法相比，差分相干解调法有哪些优势？
答：对于2DPSK信号来说，与相干解调法相比，差分想干解调不用提取相干载波，电路构造简单。
8、数据分析与心得体会：

用SystemView对二进制差分相位键控（2DPSK）信号
的相干解调进行性能估计
1、实验目的：
（1）了解2DPSK系统电路组成、工作原理和特点；
（2）学会分析2DPSK系统的抗噪声性能；
（3）掌握使用SystemView软件对2DPSK系统进行性能估计的方法。
2、实验内容：
以2DPSK作为系统输入信号，码速率Rb＝10kbit/s。
（1）采用相干解调法实现2DPSK的解调，分别观察系统各点波形。
（3）获取主要信号的功率谱密度。
3、实验原理：
2DPSK信号有两种解调方式，一种是差分相干解调，另一种是相干解调的码反变换法。我们这里讨论相干解调码反变换器的方式，分析模型如图（a）所示。由图（a）可知，2DPSK信号采用相干解调加码反变换器方式解调时，在发送“1”符号和“0”符号概率相等时，最佳判决门限b*=0.此时，2DPSK系统的总误码率Pe为
Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)= 1/2erfc(√r) (3-1)
在大信噪比（r>>1）条件下，式（3-1）可近似表示为
Pe≈1/2√πr exp(-r) (3-2)
由式（3-1）确定。该点信号序列是相对码序列，还需要通过码反变换器变成绝对码输出。因此，此时只需要分析码反变换器对误码率的影响即可。
为了分析码反变换器对误码的影响，我们做出一组图形来加以说明。

发送绝对码 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1
发送相对码 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0
（a）无错：接收相对码 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0
绝对码 0 1 0 1 1 0 1 1 1
（b）错 1：接收相对码 0 0 1 0× 0 1 1 0 1 0
绝对码 0 1 1× 0× 1 0 1 1 1
（c）错 2 接收相对码 0 0 1 0× 1× 1 1 0 1 0
绝对码 0 1 1× 1 0× 0 1 1 1
（d）错 3 接收相对码 0 0 1 0× 1× 0× 0× 0 1 0
绝对码 0 1 1× 1 1 0 1 0× 1
图31 码反变换器对错码的影响

根据图31类推，若码反变换器输入相对信号码序列中连续出现n个错码，则输出绝对信号码序列中也只有两个错码。
设Pe为码反变换器输入端相对码序列的误码率，Pe’为码反变换器输出端绝对码序列的误码率，分析可得
Pe’=2P1+2P2+……+2Pn+……
可得出 Pe’=2(1-Pe)Pe=1/2[1-(erf√r)^2] （3-3）
当Pe<<1时，近似表示为 Pe’=2Pe (3-4)
4、系统组成、图符块参数设置及仿真结果：

图32 BER测试的系统组成
其中，图符19，图符26分别对输入和输出序列进行采样，采样速率为20KHz , 图符22是BER计数器，对比试验的比特数为5000bit，参考信号与解调信号差异的门限设为0，时间偏移量为1bit，图符21为停止接收图符，当错误总数超过1000时停止本次循环的仿真进入下一循环，图符20是终值接收器，它与BER的累计均值输出端相连，当仿真进行时，每一次循环结束时会显示本循环的BER均值。图符7输出加性高斯白噪声，将信道模拟成一个AWGN信道。图符8控制SNR，每次循环后将信噪比递增1Db,图符23对输入端采样序列延时，使BER计数器的两个输入端位同步。
表3：BER测试图符参数设置表
编号
库/名称
参数
6
Adder:NonParametric
Inputs from t8p0 t4p0 Outputs to 9 Max Rate = 400e+3 Hz
7
Source: GaussNoise
Pwr Density = 12.5e-6 W/Hz System = 1 ohm
Mean = 0 v Max Rate = 400e+3 Hz
8
Operator: Gain
Gain = -9 dB Gain Units = dB Power
Max Rate = 400e+3 Hz
19
Operator: Sampler

Interpolating Rate = 20e+3 Hz Aperture = 0 sec Aperture Jitter = 0 sec Max Rate = 20e+3 Hz
20
Sink: Final Value
Input from t22 Output Port 1 Max Input Rate = 4 Hz
21
Sink: Cndtnl Stop

Action = Go To Next Loop Memory = Retain all samples
Threshold = 1e+3 Input from t22 Output Port 2
22
Comm: BER Rate

No. Trials = 5e+3 bits Threshold = 0.5v Offset = 1 bits Output 0 = BER t27 Output 1 = Cumulative Avg t20
Output 2 = Total Errors t21 Max Rate (Port 2) = 4 Hz
23
Operator: Smpl
Delay

Delay = 1 samples Attribute = Passive Initial Condition = 0 v Fill Last Register Output 0 = Delay t22 t24 Output 1 = Delay - dT Max Rate (Port 0) = 20e+3 Hz
26
Operator:ReSample
Rate = 20e+3 Hz Max Rate = 20e+3 Hz
系统定时：起始时间0秒，终止时间300.e-3秒，采样点数120001，采样速率400e+3Hz，步长9；全局变量相关：关联的全局变量为Token8，F[Gi，Vi]=-c1（c1=Current system Loop）获得的仿真波形如图33所示

（a）加性高斯白噪声强度随循环每次减小1dB的变化

（b）BER累计均值输出随循环的变化

（c）不同信噪比下的BER累计均值输出

（d）2DPSK相干解调误码率理论值与实验值对比
图33 2DPSK相干解调系统性能图
可以看出，随着信噪比的增加，误码率Pe逐渐减小。

5、数据分析及心得体会：