数字调制系统误比特率(BER)测试的仿真设计与分析.doc

目 录一、概述2二、课程设计要求3三、SystemView动态系统仿真软件31、SystemView系统的特点32、使用Systemview进行通信系统仿真的步骤5四、数字调制系统BER测试的仿真设计与分析5五、仿真系统组成及对应结果8一、低频相干调制解调系统组成与分析8二、高频相干调制解调系统BER测试仿真模型建立与分析11三、低频差分相干调制解调仿真模型建立与分析15四、高频差分相干调制解调BER测试仿真模型建立与分析17六、心得体会22七、参考文献23一、概述现代社会通信技术迅速发展，对于通信技术人才的需求也日益增加。因此通信专业人才的培养被提上日程。而通信原理课是通信专业的核心课，通信实验在通信原理课中起着举足轻重的作用。传统教学以实验箱类硬件教学为主。而硬件教学一般为验证性实验，学生无法从中理解和掌握具体的模块组成和系统原理。通信课程概念多、系统的模型多不易于理解，加之抽象的特点，使得学生丧失学习兴趣，对于问题的认知处于一种表面状态。因此一些虚拟实验受到越来越多的关注。Systemview是ELANIX公司推出的一个完整的动态系统设计、模拟和分析的可视化仿真平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域， Systemview 在友好而且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。它作为一种强有力的基于个人计算机的动态通信系统真工具，可达到在不具备先进仪器的条件下也能完成复杂的通信系统设计与仿真仿的目的，特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析。 在通信系统分析和设计领域具有广阔的应用前景。在本课程设计中学生通过运用先进的仿真软件对通信系统进行仿真设计，既可深化对所学理论的理解，完成实验室中用硬件难以实现的大型系统设计，又可使学生在实践中提高综合设计及分析解决实际问题的能力，加强系统性和工程性的训练。二、课程设计要求（1）设计一个载频为60Hz，要求传送20b/s低频数字信号，采用DPSK调制，信道为理想加性高斯白噪声信道，采用DPSK相干解调。设计该仿真系统，观测各输入和输出波形的时序关系，验证调制解调正解性。重新设置接收载波源的参数，将其中的相位设为180，运行观察体会2DPSK系统时如何克服同步载波与调制载波间180相位模糊度的。（2）设计一个载频为5KHz，要求传送1Kb/s高频数字信号，采用DPSK调制，信道为理想加性高斯白噪声信道，采用DPSK相干解调。设计该仿真系统，并对该系统的误比特率BER进行分析。（3）设计一个载频为60Hz，要求传送20b/s低频数字信号，采用DPSK调制，信道为理想加性高斯白噪声信道，采用DPSK差分相干解调（非相干解调）。，观测各输入和输出波形的时序关系，验证调制解调正解性。（4）设计一个载频为5KHz，要求传送1Kb/s高频数字信号，采用DPSK调制，信道为理想加性高斯白噪声信道，采用DPSK差分相干解调（非相干解调）。设计该仿真系统，并对该系统的误比特率BER进行分析。三、SystemView动态系统仿真软件1、SystemView系统的特点SystemView 属于一个系统级的工作平台，它通过方便、直观、形象的过程构建系统，提供了丰富的部件资源、强大的分析功能和可视化开放的体系结构，已逐渐成为各种通信、信号处理、控制及其它系统的分析、设计和仿真平台以及通信系统综合实验平台。整个系统具有如下特点：（1）强大的动态系统设计与仿真功能 SystemView 提供了开发电子系统的模拟和数字工具，在基本库中包括多种信号源、接收器、各种函数运算器等，大量的信号源和丰富的算子图符和函数库便于设计和分析各种系统；多种信号接受器为时频域的数值分析提供了便捷的途径；它还自带有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等专业库以备选择，正是由于这些库中提供了大量完成具体功能的直观的图符单元，使复杂的系统设计和模拟变得易于实现，特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证。它还可以实时的仿真各种DSP结构，以及对各种逻辑电路、射频电路进行理论分析和失真分析。随着现代通信技术的发展，无线通信技术已日趋成熟和完善，利用 SystemView带有的CDMA、DVB等扩展库即可十分方便的完成这些系统的设计和仿真。（2）方便快捷SystemView使用了用户熟悉的Windows界面功能键，采用功能模块去描述系统。设计窗口中各功能模块都用形象直观的图符表示，图符参数可根据需要实时调整，无需进行复杂编程即可完成各种系统的设计与功能级上的仿真。同时其无限制的分层结构使建立庞大而复杂的系统变得容易。 在系统仿真方面，SystemView还提供了一个灵活的动态探针功能，可以仿真实际的示波器或频谱分析仪的工作，用于输出信号观察。用户可以方便快捷地在设计窗口和分析窗口之间切换，分析窗口带有的“接收计算器”功能强大，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波以及眼图与星座图绘制等，通过真实而灵活的分析窗口用以检查系统波形。使得对所设计的系统可达到实时修改、实时直观显示的操作效果， （3）可扩展性 Systemview具有与外部数据文件的接口，可直接获得并处理输入/输出的数据，使信号分析更加灵活方便。另外，它还提供了与编程语言VC+或仿真工具 Matlab 的接口，可以很方便的调用其函数。除了一般的方案论证外， SystemView还提供了灵活的硬件设计的接口：与Xilinx公司的软件Core Generator配套，可以将SystemView系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件；SystemView还有与DSP芯片设计的接口，可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。总之，Systemview 是一个功能强大、用途广泛的工具平台，并且特别适合于信号的分析、处理及系统的设计和模拟。目前他在工程技术、教学和产品开发等方面得到越来越广泛的应用。2、使用Systemview进行通信系统仿真的步骤（1） 建立系统模型：根据通信系统的基本原理确定总的系统功能，并将各部分功能模块化，根据各个部分之间的关系，画出系统框图。 （2）基本系统搭建和图标定义：从各种功能库中选取满足需要的可视化图符和功能模块，组建系统，设置各个功能模块的参数和指标，在系统窗口按照设计功能框图完成图标的连接； （3） 调整参数，实现系统模拟参数设置，包括运行系统参数设置（系统模拟时间、采样速率等）等。 （4）运行结果分析：在系统的关键点处设置观察窗口，利用接收计算器分析仿真数据和波形，用于检查、监测模拟系统的运行情况，以便及时调整参数，分析结果。四、数字调制系统BER测试的仿真设计与分析【设计分析内容】DPSK信号的产生原理、调制解调的方法以及误比特率的分析是通信原理教学中的一个重点和难点，以相干接收2DPSK调制传输系统为误比特率分析对象，被调载频为1000Hz，以PN码作为二进制信源，码速率Rb100bit/s，信道为加性高斯白噪声信道，对该系统的误比特率BER进行分析。【分析内容要求】 1观测仿真过程中原始基带信号波形、差分码波形、2DPSK信号波形、本地载波、解调端相乘器输出、低通滤波器输出、抽样判决输出波形以及码反变换后的输出波形。观测输入和输出波形的时序关系；2在2DPSK系统中，“差分编码译码”环节的引入可以有效地克服接收提取的载波存在180相位模糊度，即使接收端同步载波与发送端调制载波间出现倒相180的现象，差分译码输出的码序列不会全部倒相。重新设置接收载波源的参数，将其中的相位设为180，运行观察体会2DPSK系统时如何克服同步载波与调制载波间180相位模糊度的。3、利用建立的SystemView DPSK系统相干接收的仿真模型进行BER测试，产生该系统的BER曲线以此评估通信系统的性能；它以相干接收DPSK调制传输系统为误比特率分析对象，信道模型为加性高斯白噪声信道，利用全局参数链接功能通过设置循环来改变噪声功率得到不同信噪比下的误比特率,【分析目的】通过仿真操作掌握SystemView系统误比特率分析的方法。【系统组成及原理】1 2DPSK系统组成原理 2DPSK系统组成原理如图3-1所示，系统中差分编、译码器是用来克服2PSK系统中接收提取载波的180相位模糊度。PN码发生器差 分编码器2PSK系 统差 分译码器输出图3-1 2DPSK系统组成2、误比特率（BER：Bit Error Rate）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。3、 2DPSK系统误比特率测试的结构框图在二进制传输系统中误比特率BER（ Bit Error Rate） 是指出现码传输错误的概率，误比特率越低说明抗干扰性能越强。几种基本的数字调制方式中，2PSK具有最好的误码率性能，但2PSK信号传输系统中存在相位不确定性，易造成接收码元“0”和“1”的颠倒，产生误码。这个问题将直接影响2PSK信号用于长距离传输。为克服此缺点并保存2PSK信号的优点，采用二进制差分相移键控（2DPSK），2DPSK信号的产生原理、调制解调的方法以及误比特率的分析也是通信原理教学中的一个重点和难点， 2DPSK信号克服了2PSK信号的相位“模糊”问题， 但其误码率性能略差于2PSK，2DPSK信号的解调主要有两种方法：一是相位比较法，另一是极性比较法，相干DPSK系统BER测试利用SystemView来产生一个通信系统的BER曲线以此评估通信系统的性能；它以相干DPSK调制传输系统为误比特率分析对象，信道模型为加性高斯白噪声信道， 利用全局参数链接功能通过设置循环来改变噪声功率得到不同信噪比下的误比特率,相干2DPSK系统误比特率测试的结构框图如下：图3-2 相干2DPSK系统误比特率测试的结构框图SystemView的通信库（Comm Lib）中提供了BER分析的专用图符块，可直接调用。 【创建分析】创建完仿真系统后，单击运行按钮，随着每次循环，终值显示框内出现每次的运算结果，其中最后一列带括弧的数据为误比特率。循环结束后进入分析窗，此时输出给出的误比特率是随仿真时间改变的规律，欲观察BER随解调信号SNR改变的曲线，需单击“信宿计算器”按钮，在出现的对话框中，选中Style按钮，单击BER Plot按钮，在其右侧的“SNR StartdB:”栏内输入-10、“IncrementdB:”栏内输入20，再选中右上角窗口内“Bit Error Rate 相关窗口”项，最后单击OK按钮即可显示随SNR改变的BER曲线。每次循环时，输入的2DPSK信号功率保持不变，而叠加的高斯噪声功率逐次衰减，即SNR不断增加。叠加高斯噪声强度随循环每次减小3dB变化。4、相干2DPSK系统误比特率测试的仿真模型的建立根据图3-2测试的结构框图，建立仿真模型，模型中各图符的参数指标根据随机信源和调制载波的频率来设定，模型建立之后的参数调整直至调试出现正确结果的过程，也是一个对调制解调原理的不断理解和消化的过程，其中对滤波器的截至频率设置，抽样判决的实现、码反变换的相关参数设置、BER计算时原始信源相对抽样判决后码元的延迟时间的计算以及系统的采样速率的设置等都能进一步加深对原理的掌握并可通过调试结果的直观体现出来，从而将抽象的原理和具体的实现过程紧密地结合起来。5、仿真结果及相干2DPSK系统误比特率曲线绘制仿真过程波形可用瀑布图直观表示，要观察的依次为原始基带信号波形、差分码波形、2DPSK、本地载波、解调端相乘器输出、低通滤波器输出、抽样判决后的波形以及码反变换后的输出波形。由图观察解调输出与基带输入是否相一致，并注意二者波形时序。五、仿真系统组成及对应结果一、低频相干调制解调系统组成与分析1、仿真模型的建立二进制PN序列产生随机信源（绝对码），经过码变换器将绝对码变为相对码，与载波信号相乘，得到传送的调制信号，完成DPSK编码调制。其次，调制信号在加性高斯白噪声信道下的传送。最后，调制信号与同频同相的本地载波信号相乘，然后通过低通滤波器，滤除高频载波，再通过抽样保持判决电路得到相对码，然后通过码反变换器得到绝对码，完成对DPSK信号的解码，恢复出原始的二进制序列。由如下图表示： 图5-1 低频相干调制解调系统仿真模型结构图2元器件参数的设定PN码频率为20Hz；延时时间为一个码元的时间为0.05s；载波频率为60Hz；低通滤波器截止频率为35Hz；判决器，判决门限为0，如果大于0，则输出为1，否则输出为-1。“时间窗”参数设定如下图所示3系统仿真结果分析（1）本地载波应与原载波同频同相图5-2 低频相干调制解调系统仿真结果图上面已做标识，第一条线是随机信源（绝对码），第一条线是码变换后的相对码序列，第三条线是与载波相乘后的调制信号，第四条线是同本地载波相乘后的信号，第五条线是经低通滤波器后的去除高频载波后的低频信号，第六条线是抽样判决后的相对码序列，第七条线为经码反变码器后得到的绝对码序列。由图5-2可以看出经2DPSK相干调制解调系统得到的绝对码与原信源一样。（2）本地载波与原载波相位相差图5-3 分析“倒”现象仿真结果图 由图5-3中第一条线和第七条线可以看出没有码元错码，正确，不存在“倒”现象。二、高频相干调制解调系统BER测试仿真模型建立与分析1仿真系统的建立信源信号经过一个延时器41，消除信号因为在整个传输过程中造成的延时，分别对解调出的信号与信源信号，进行抽样，通过BER计数器，然后连接到终值接收计数器。仿真模型如下图所示：图5-4 高频相干调制解调系统BER测试仿真模型结构图2元器件参数的设定（1）PN码频率为1000Hz；延时时间为一个码元的时间为0.001s；载波频率为5000Hz；低通滤波器截止频率为1200Hz；判决器：判决门限为0，如果大于0，则输出为1，否则输出为-1。（2）高斯噪声（3）延迟器41通过求sink1与sink32的相关曲线，如图5-5所示，可以求的延时点数为7图5-5 sink1与sink32相关曲线（4）BER计数器它的输出为BER的Cumulative Average。它连接到终值接收计数器，当进行循环仿真时，每一个循环结束时会显示本次循环的BER均值。该值也是用于计算BER/SNR曲线的基础。（5）全局变量的关联（6）时间窗3仿真结果分析每次循环时，输入的2DPSK信号功率保持不变，而叠加的高斯噪声功率逐次衰减，误码比特随时间不断降低。每一个循环结束时终值计数器显示本次循环的BER均值：图5-6 误比特率相对时间的关系曲线图5-7 比特误码率/信噪比曲线测出的BER/SNR曲线与标准的PSKDPSK(cohrent)调制的理论曲线进行比较，上面的曲线为测量曲线，下面的曲线为理论曲线。图5-8 测出的BER/SNR曲线与标准的PSKDPSK(cohrent)调制的理论曲线三、低频差分相干调制解调仿真模型建立与分析1仿真模型的建立首先，二进制PN序列产生随机信源（绝对码），经过码变换器将绝对码变为相对码，与载波信号相乘，得到传送的调制信号，完成DPSK编码调制。其次，调制信号在加性高斯白噪声信道下的传送。最后，调制信号与本身延时一个码元后相乘，然后通过低通滤波器，滤除高频载波，再通过抽样保持判决电路得到绝对码，完成对DPSK信号的解码，恢复出原始的二进制序列。由如下图表示：图5-9 低频差分相干调制解调仿真模型结构图2元器件的选择和参数的设定PN码频率为20Hz；延时时间为一个码元的时间为0.05s；载波频率为60Hz；低通滤波器截止频率为35Hz；判决器，判决门限为0，如果大于0，则输出为-1，否则输出为1。“时间窗”参数设定如图所示3仿真结果分析图5-10 低频差分相干调制解调仿真结果图第一条线是随机信源，第一条线是码变换后的相对码序列，第三条线是与载波相乘后的调制信号，第四条线是同自身延时一个码元后相乘得到的信号，第五条线是经低通滤波器后的去除高频载波后的低频信号，第六条线是抽样判决后的相对码序列，第七条线为经码反变码器后得到的绝对码序列。由图5-10可以看出经2DPSK相干调制解调系统得到的绝对码与原信源一样。四、高频差分相干调制解调BER测试仿真模型建立与分析1仿真模型的建立信源信号经过一个延时器41，消除信号因为在整个传输过程中造成的延时，分别对解调出的信号与信源信号，进行抽样，通过BER计数器，然后连接到终值接收计数器。仿真模型如下图所示：图5-11 高频差分相干调制解调系统BER测试仿真模型结构图2元器件的选择和参数的设定（1）PN码频率为1000Hz；延时时间为一个码元的时间为0.001s；载波频率为5000Hz；低通滤波器截止频率为1200Hz；判决器：判决门限为0，如果大于0，则输出为-1，否则输出为1。（1）高斯噪声（2）延迟器41通过求sink1与sink26的相关曲线，如图5-6所示，可以求的延时点数为7图5-12 sink1与sink26相关曲线（3）BER计数器它的输出为BER的Cumulative Average。它连接到终值接收计数器，当进行循环仿真时，每一个循环结束时会显示本次循环的BER均值。该值也是用于计算BER/SNR曲线的基础。（4）全局变量的关联（5）时间窗3仿真结果分析每次循环时，输入的2DPSK信号功率保持不变，而叠加的高斯噪声功率逐次衰减，误码比特随时间不断降低。每一个循环结束时终值计数器显示本次循环的BER均值：图5-13 误比特率相对时间的关系曲线图5-14 比特误码率/信噪比曲线测出的BER/SNR曲线与标准的DPSK(incohrent)调制的理论曲线进行比较，上面的曲线为测量曲线，下面的曲线为理论曲线。图5-15 测出的BER/SNR曲线与标准的DPSK(incohrent)调制的理论曲线六、心得体会为期一个星期的通信原理课程设计，我们设计的内容是数字调制系统误比特率测试的仿真设计与分析。在课程设计之前，我们也通过各个渠道查找资料并在课堂上老师给我们也做了详细的讲解，让我们首先对整个课程设计有个大致的规划，并且对整个课程设计过程及方向有了一定的认识。首先是对这个课题的理解问题。一开始，在对老师讲解的进一步理解的基础上，自己在对设计原理和要求进行更细致的研究，花了我们很长的时间。这些都应归咎于自己通信原理基础知识的匮乏，让我们再次对通信原理有了一次重新复习和掌握的机会，巩固了我们的基础知识。其次上机软件模拟，这个环节上同样花费了许多时间，本次课设原理图有一定的难度，在软件仿真过程中更是难以去查找错误，并且由于首次接触systemview仿真软件，在对软件的熟悉上也花费了一定时间，不过在我们的合作研讨下，最后排除错误，一步一步的调试、改正，最后能够出现正确的结果，不过由于我们对各元器件的性能了解不够，所以在对某些部分的理解上有些盲目，最