利用SystemView实现2DPSK仿真.docx

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利用SystemView实现2DPSK仿真

通信原理课程设计

题目：

2DPSK系统设计与仿真

院（系）：

电气与信息工程学院

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

教师职称：

1概要2

2SystemView动态系统仿真软件3

2.1SystemView系统的特点3

2.2SystemView仿真步骤5

3课程设计内容5

3.12DPSK系统组成及原理5

3.2误比特率6

4模型的建立及结果分析9

4.1低频2DPSK相干解调系统9

4.2高频2DPSK相干解调系统11

4.3低频2DPSK差分解调系统15

4.4高频2DPSK差分解调系统16

4.5高频2DPSK系统差分与相干解调误码率比较18

5设计过程中解决的问题20

6心得体会22

7教材与参考文献23

1概述

《通信原理》课程设计是通信工程、电子信息工程专业教学的重要的实践性环节之

一，《通信原理》课程是通信、电子信息专业最重要的专业基础课，其内容几乎囊括了所有通信系统的基本框架，但由于在学习中有些内容未免抽象，而且不是每部分内容都有相应的硬件实验，为了使学生能够更进一步加深理解通信电路和通信系统原理及其应用，验证、消化和巩固其基本理论，增强对通信系统的感性认识，培养实际工作能力和从事科学研究的基本技能，在通信原理的理论教学结束后我们开设了《通信原理》课程设计这一实践环节。

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仿真工具，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

2SystemView动态系统仿真

2.1SystemView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CoreGenerator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。

2.2Systemview仿真步骤

（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。

3课程设计内容

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，以相干接收和差分2DPSK调制传输系统为误比特率分析对象，被调载频为4000Hz，以PN码作为二进制信源，码速率Rb＝1000bit/s，信道为加性高斯白噪声信道，对该系统的误比特率BER进行比较分析。

3.12DPSK系统组成原理

2DPSK系统组成原理如图3.1.1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。

3.2、误比特率（BER：

BitErrorRate）

误比特率（BER：

BitErrorRate）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（SymbleErrorRate）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。

1、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（BitErrorRate）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图3.1.2。

图3.1.2相干2DPSK系统误比特率测试的结构框图

SystemView的通信库（CommLib）中提供了BER分析的专用图符块，可直接调用。

【创建分析】

注意进入系统视窗后，设置“时间窗”参数：

①运行时间；

②循环运算次数；

③采样频率。

在系统窗下，创建以2PSK传输系统为BER分析对象的仿真分析系统，在创建的系统中，必须使与2PSK信号叠加的高斯噪声强度自动可变，才能得到随SNR改变的BER分析曲线，可在高斯噪声源与加法器之间插入一个增益随每次循环改变的“Gain”图符块；

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BERPlot按钮，在其右侧的“SNRStart[dB]:

”栏内输入-10、“Increment[dB]:

”栏内输入20，再选中右上角窗口内“BitErrorRate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。

2、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。

3、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。

4模型的建立及结果分析

4.1低频2DPSK相干解调系统

1、模型参数

2DPSK模型如图4.1.1，元件参数如下：

Token0，比特率10Hz，Phase是0。

Token1为异或门，其中输出设置tureoutput为1，falseoutput为-1。

Token2为延时，延时0.1s。

token1和token2共同组成完成绝对码到相对码的变换，t6、t8为载波，频率是20Hz。

Token9是3阶butterworth低通滤波器，截止频率设置15Hz。

Token22是抽样。

Token23是位同步脉冲，频率是10Hz，脉宽500e-6s。

Token10为比较判决。

Token18为异或门，其中输出设置tureoutput为1，falseoutput为-1。

Token19延时0.1s，token18和token19共同完成了相对码到绝对码的变换。

时钟设置如下：

No.ofSamples16384。

SamplesRate10e+3。

No.ofSystemSamples1。

图4.1.1

2、仿真结果

仿真结果波形如图4.1.2。

波形自上而下依次为：

原码、相对码、调制后波形、解调后波形、滤波后的波形、比较判决后的波形、经过码反变换后的波形。

图4.1.2

4.2高频2DPSK相干解调系统

1、模型参数

2DPSK相干解调模型如图4.2.1，元件参数如下：

token0，比特率1000Hz，Phase是0。

token1为异或门，其中输出设置tureoutput为1，falseoutput为-1。

t2为延时，延时0.001s。

token1和token2共同组成完成绝对码到相对码的变换，token6、token8为载波，频率是2000Hz。

token9是3阶butterworth低通滤波器，截止频率设置1100Hz。

token22是抽样。

token23是位同步脉冲，频率是1000Hz，脉宽500e-6s。

token10为比较判决。

token18为异或门，其中输出设置tureoutput为1，falseoutput为-1。

token19延时0.1s，token18和token19共同完成了相对码到绝对码的变换。

token5是噪声，Densityin1ohm，1e-3。

token24改变每次运行后的噪声，dBPower。

Token40延时使原码和最后接受解调后的同步，参数是通过相关函数计算得到的，此次是1。

token43、token44、token45是计算误码率的。

时钟设置如下：

No.ofSamples65536。

SamplesRate10e+3。

No.ofSystemSamples12。

图4.2.1

系统中，必须使与2PSK信号叠加的高斯噪声强度自动可变，才能得到随SNR改变的BER分析曲线，可在高斯噪声源与加法器之间插入一个增益随每次循环改变的“Gain”图符块，然后执行“Tokens>>GlobalparameterLinks”命令，出现一个“GlobalTokenparameterLinks”对话框，在其中的“SelectSystemToken”栏内单击选中“24Operator（Gain）”项（变成反白条），在“DefineAlgebraicRelationshipF（Gi,Vi）”栏内输入“Gain”图符块的循环增益变化式：

-1.5*cl，该式表示每次循环高斯噪声功率减小1.5dB，12次循环后“Gain”图符块的增益变成-18dB，最后，单击OK按钮关闭此对话框返回系统窗。

2、仿真结果

运行后，随着每次循环，终值显示框内出现每次的运算结果如图图4.2.2，其中最后一列带括弧的数据为误比特率。

12次循环结束后进入分析窗，此时t46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BERPlot按钮，在其右侧的“SNRStart[dB]:

”栏内输入0、“Increment[dB]:

”栏内输入1.5，再选中右上角窗口内“w0:

BitErrorRate（t12）”项，最后单击对话框的OK按钮即可显示随SNR改变的BER曲线，如图2-7-2所示。

每次循环时，输入的2PSK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，得到的误码率曲线为图4.2.3。

叠加上理想系统的误码率曲线后，进行系统特性比较，如图4.2.4，平滑的是理想的误码率曲线（最佳接收机），另一条是实际系统的曲线。

图4.2.2

图4.2.3

图4.2.4

4.3低频2DPSK差分解调系统

连接差分2DPSK系统（低频）目的是验证系统的正确性，确定系统连接正确后，修改相应参数得到高频系统，然后依照相干的高频情况连接误码率测量电路。

低频差分2DPSK系统原理图为图4.3.1，其仿真结果为图4.3.2，其参数设置如相干2DPSK系统，波形自上而下依次为：

原码、相对码、调制后波形、差分解调后波形、滤波后的波形、比较判决后的波形即应和原码相同。

图4.3.1

图4.3.2

4.4高频2DPSK差分解调系统

参数设置如相干2DPSK系统，原理图为图4.4.1，误码率数据为图4.4.2，误码率曲线和理想曲线相比较结果为图4.4.3

图4.4.1

图4.4.2

图4.4.3

4.5高频2DPSK差分与相干解调误码率比较

差分和相干解调综合原理图如图4.5.1，误码率比较图为图4.5.2

自上而下依次表示实际系统差分、相干、理想差分、相干误码率曲线

图4.5.1

图4.5.2

由于理想误码率曲线是在最佳接收机情况下测得的，所以性能会好于实际系统

相干解调性能好

非相干解调就是说，在解调时不需要提取载波信息来进行解调；相干解调就是说，在解调时，首先要通过锁相环提取出载波信息，通过载波信息与输入的信息来解调出信号；因此，可以看出，相干解调的性能肯定要优于非相干解调。

非相干解调的优越性

非相干解调的好处是可以较少的考虑信道估计（甚至略去），处理复杂度降低，带来的是性能的损伤。

相干解调需要本地PLL（锁相环）恢复载波，并保持相位锁定，需要较好的信道估计，处理相对复杂。

5设计过程中解决的问题

（1）首先，必须根据实际情况合理的设计基带信号的参数、载波频率和加性噪声大小，以防波形的失真。

但由于在信道传输过程中由于各种原因而引起译码波形有一定的延时现象。

位同步信号的脉宽设置与整个系统的延时有关，即此系统的脉宽分割线是22.5e-3，当脉宽小于22.5e-3是延时图形为5.1，当脉宽大于22.5e-3是延时图形为5.2。

图5.1

图5.2

（2）在低频信号（10Hz~100Hz）调试时，当出现连1或连0时，在码间会出现冲击脉冲如图5.3，可以通过合理为DelayToken选择0：

Delay或1：

Delay-dT消除这种现象。

图5.3

（3）在高频信号（1kHz）误码率分析时,首先要将高斯白噪声通过增益使其按一定的规律衰减，即使信噪比按一定的规律增加（高斯白噪声的功率谱密度应通过计算得到合适的值）。

在信号噪声的设值，由于最后进行误码率对比时，起始信噪比是0dB，信噪比为r，分贝表示为

，N为当前噪声功率密度，

为分贝表示的当前噪声功率密度用，

为最初噪声功率密度。

可推出r=1，

这样可设置初始噪声的大小

全局关联参数的设置，设函数设置为–k*cl则

则

。

随着循环次数cl的依次增加，得到对应的信噪比，系统就是在这个信噪比下计算的误码率，所以在“信宿计算器”中的设置Increment[dB]时数值应该是k。

验证方法：

设计一个最佳接受机或匹配滤波器系统，当按上述方法设置时，系统测到的误码率曲线应该和理想的重合，否则上述关于全局变量改变信噪比的理解是错误的。

（4）将系统信号源输出信号延时与解调出的信号同步（可以通过计算其相关性得到精确的延时时间）,再抽样比较,抽样频率的选择应为信号频率的N倍（理论上N>=1即可，但实际调试过程中当5

6心得体会

本次课程设计在刚开始的过程中无从下手，手忙脚乱，时间又紧，经过多天使用软件仿真来实现2DPSK的编解码过程。

通过这次设计，掌握了2DPSK编码的工作原理及2DPSK相干解调和差分相干解调的工作过程，并通过系统绘制出相干解调和差分相干解调的误码率曲线。

学会了使用仿真软件SystemView（通信系统的动态仿真软件），并学会通过应用软件仿真来实现各种通信系统的设计，对以后的学习和工作都起到了一定的作用，加强了动手能力和学业技能。

总体来说，这次实习我受益匪浅。

在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。

在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。

7教材与参考文献

参考文献

[1]樊昌信，张甫翊，徐炳祥，吴成柯.通信原理（第五版）[M]北京：

国防工业出版社，2002

[2]罗卫兵，孙桦，张捷.SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计[M]北京：

电子工业出版社，2002

[3]李东生,雍爱霞,左洪浩。

SystemView系统设计及仿真入门与应用[M]北京:

电子工业出版社,2002

[4]青松,程岱松,武建华等。

数字通信系统的SystemView仿真与分析[M]北京:

北京航空航天大学出版社,2001

[5]仇润鹤,刘世地,唐明浩.SystemView及其通信系统仿真分析实验指导书.东华大学信息学院通信系内部实验指导书,2005．

[6]韩力.SVU实验指导书,北京理工大学内部资料,2008．