2DPSK多参数调整通信系统仿真分析

2021-12-14林青，郑杰

实验室研究与探索 2021年10期

林青，郑杰

（中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院，山东青岛 266580）

0 引言

通信原理课程实验，大部分高校主要是利用实验箱进行。针对这部分的调制系统实验，其特点是各个模块都已集成，其参数均已给定，并且采用的理想信道，这种情况下，学生利用示波器观察调制及解调波形，观察眼图情况，所以这个实验是验证性的，比较理想化。缺乏实验内容的工程性、实验方法的多样性和实验过程的探究性。因此，设计了二级制差分相移键控（Binary Differential Phase shift Keying，2DPSK）多参数调整通信系统仿真实验。学生根据2DPSK 调制解调基本原理自行设计各个模块的参数，并且可设计高斯白噪声信道中的噪声，利用示波器观察其解调波形的及眼图的变化，还可以分析高斯白噪声信道对2DPSK通信系统的可靠性影响。让学生利用通信系统的基本原理判断和识别通信工程问题中各环节的参数。

1 调制模块直接建模仿真

Simulink 通信模块库中有调制解调模块，选用调制模块（M-DPSK Modulator Baseband）和解调模块（MDPSK Demodulator Baseband），就可以直接对二进制序列完成调制解调。由于任何通信系统中，都包含加性高斯白噪声，故选用的是加性高斯白噪声信道模块（AWGN-Channel），信号源采用的是伯努利随机数字信号源模块（Bernoulli Binary）来完成2DPSK的建模仿真。为方便观察眼图、计算系统误码率，选用眼图模块（Discrete-Time Eye Diagram Scope）及计算误码率模块（Error Rate Calculation），得到图1 所示的仿真图。

图1 2DPSK系统仿真模型（直接法）

1.1 眼图

眼图能够直观观察通信系统码间串扰和信道噪声等因素的影响情况，估计通信系统性能的优劣。在传输二进制信号波形时，示波器显示的图形很像人的眼睛，故名眼图。眼图线迹越细越清晰，说明系统的码间串扰及噪声影响越小，反之，就越大。

在传统实验箱实验中，采用的是理想信道及比较理想的调制解调通信系统，所以观察到的眼图也比较理想。在仿真系统中，学生可更改信道噪声的平均功率，修改码间串扰的大小，方便查看眼图随噪声及码间串扰的变化。图2（a）所示为AWGN信道的噪声平均功率为0 时的眼图，可见，眼图较大，接近课本上描述的理论值。图2（b）、（c）所示分别为噪声平均功率为0.05、0.2，存在一定码间串扰情况下的眼图，可见，噪声及码间串扰越大，眼图张开的越小，轮廓线迹越模糊，过零点失真越大。

图2 眼图

1.2 系统可靠性

通信系统的可靠性可以用误码率来衡量。在仿真模型中，利用程序不断改变AWGN 中噪声的平均功率，即信噪比，可以得到2DPSK 系统误码率随信噪比变化曲线，如图3 所示。由仿真结果可见，信噪比越大，误码率越小，即2DPSK 系统的可靠性越好。同时为了比较，增加了二进制相位键控（Binary Phase shift Keying，2PSK）系统误码率随信噪比变化的曲线，由图3 可以见，在相同的信噪比下，2PSK 的抗噪声干扰性能优于2DPSK，但2PSK中存在反向工作现象。

图3 系统误码率曲线

2 利用2DPSK原理建模仿真

由于直接利用M-DPSK Modulator Baseband 模块得到的是星座图，无法观察到调制波形，并且利用MDPSK Demodulator Baseband模块，无法根据2DPSK原理来设置接收端接收滤波器以及低通滤波器参数设置，不能很好地理解2DPSK 的原理。基于此，设计了2DPSK原理仿真模型，如图4 所示。

图4 2DPSK系统仿真模型图

在通信系统中，最重要的是根据原理结合实践对各个模块参数进行设置。并且改变信号源与载波参数，让学生重新设置参数。

随机信号源：

式中：ɑn为相对序列，以概率p出现时为-1，以概率1 -p出现时为1；g(t) 为矩形脉冲；TS为码元宽度。

载波信号：

式中，ωc为载波频率。

调制信号：

调制信号的功率谱：

式中，R2DPSK(τ)为e2DPSK(t)的相关函数。

经推导可得：

由式（5）可见，2DPSK 信号的中心频率是fc，带宽是2fs。在设计接收端带通滤波器时，其理论值应该是中心频率为fc，带宽为2fs，但在仿真平台上，带通滤波器的参数值应该是按照工程值来取，其带宽值都要比理论值大一些。同理，也可以设定接收端的低通滤波器的截止频率。

实验过程中，要求学生多次改变信号源及载波的频率，根据原理重新设定接收端各环节的参数值。可以结合原理，参考频谱分析模块Spectrum Analyzer，设置接收端各模块参数。重点是让学生掌握2DPSK 的调制解调原理，理解2DPSK 信号波形的特点：“1”变“0”不变，学会用模块Spectrum Analyzer查看其频谱搬移过程。实验波形如图5、6 所示。