数字调制系统误比特率BER测试的仿真设计与分析讲解.docx

1、数字调制系统误比特率BER测试的仿真设计与分析讲解数字调制系统误比特率（BER）测试的仿真设计与分析目录一、概述1二、课程设计要求2 2.1课程设计组织形式2 2.2课程设计具体要求2三、软件简介33.1 SystemView系统的特点33.2使用Systemview进行通信系统仿真的步骤5四、设计内容原理简介54.1设计分析内容5 4.2分析设计内容要求54.3设计目的64.4系统组成及原理6五、仿真模型的建立及结果分析105.1仿真模型的原理 105.2 2DPSK系统的仿真模型 12 5.2.1 2DPSK低频相干解调系统 125.2.2 2DPSK高频相干调制解调系统BER测试仿真模型

2、 145.2.3 2DPSK低频差分相干解调145.2.4 2DPSK高频差分相干解调系统BER测试仿真模型19六、心得体会23七、参考文献25 一、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

3、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

4、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2.1课程设计组织形式课程设计第一节我们老师先给我们讲解课程设计要求及注意事项和DPSK系统的组成原理并向我们讲述课程设计的方法、步骤和要求。课程设计过程按分组的方式进行，每两个人一组，要求在小组内分工协作、充分讨论、相互启发的基础上形成设计方案。之后老

5、师给我们发放有关的课程设计背景资料，设计过程采取课堂集中辅导，分散设计的方式进行。课程设计结束要求提交一份课程设计报告书，必要时可要求各小组选出一个代表，进行课程设计方案演示和答辩，评出若干优秀设计成果。2.2 课程设计具体要求（1）设计过程以小组为单位，各组设一个组长，负责组织和协调本小组的讨论、任务分工等；（2）设计过程必须在本组内独立完成，不得跨组参考或抄袭，避免方案出现雷同；(3)设计书一律采用A4纸打印，用统一封面装订；(4)课程设计原则上在1.5周内做完；（5）最后一周周五进行优秀设计方案评选，在各组推选代表进行方案介绍的基础上，推选出2-3个优秀设计方案。三、软件简介 3.1 S

6、ystemView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（Lo

7、gic）、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

8、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

9、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

10、等方面得到越来越广泛的应用。3.2 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

11、果。四、设计内容原理简介4.1 设计分析内容2DPSK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。4.2 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

12、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。4.3 分析目的通过仿真操作掌握SystemView系统误比特

13、率分析的方法。4.4 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。（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

14、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

15、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4-2 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】 注

16、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； 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St

17、yle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4-2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

18、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、仿真模型的建立及结果分析5

19、.1 仿真模型的原理 2DPSK利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。假设为当前码元与前一码元的载波相位差，=0表示数字信息“0”，=pi表示数字信息“1”.对于相同的基带数字信息序列，由于初始相位不同，2DPSK信号的相位并不直接代替基带信号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。（1）调制模块 2DPSK信号的产生方法：先对二进制数字基带信号就行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码，然后再根据相对码就行绝对调相，从而产生2DPSK信号。 图5-1 2DPSK信号调制过程框图及波形 （2）解调模块 解调原理：相干解调是对2DPSK信号就行相干

20、解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换成绝对码，从而恢复出二进制数字信号。差分相干解调需要由收到的2DPSK信号延时一个码元间隔Ts，然后与2DPSK信号本身相乘。相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经低通滤波器后再抽样判决，即可恢复出原始数字信息。故解调器中不需要码反变换器。 图5-2 2DPSK相干解调码反变换原理框图及各点波形： 图5-3 2DPSK差分相干解调（相位比较法）原理框图及各点波形：5.2 2DPSK系统的仿真模型在System View环境下建立调制2DPSK的仿真模型，根据其输入频率的高低和解调方法的不同，可以有以下四种组合，其各自仿真模型如下：5.

21、2.1 2DPSK低频相干解调系统（1）2DPSK低频相干解调系统仿真模型结构图图5-4 2DPSK低频相干解调（2） 元器件参数的设定PN码频率为10Hz；延时时间为一个码元的时间为0.1s；载波频率20Hz；低通滤波器截止频率为24Hz；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图5-5 低频相干解调的时间窗(3) 系统的仿真结果分析图5-6 系统的仿真波形图由图可知2DPSK相干调制解调系统的得到的绝对码与原信源码一样。5.2.2 2DPSK高频相干调制解调系统BER测试仿真模型信源信号经过一个延时器，消除信号因为在整个传输过程中造成的延时

22、，分别对解调出的信号与信源信号与信源信号进行抽样，通过BER计算器，然后连接到终值接收计数器。仿真模型如下图：图5-7 2DPSK高频相干调制解调系统BER测试仿真模型（2）元器件参数的设定PN码频率为1000Hz，电平=1，偏移=0；延时时间为一个码元的时间为0.5s；载波频率为2000Hz；低通滤波器截止频率为1000Hz；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。BER计数器的参数：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曲线的基础图5-

23、8 BER计数器的参数时间窗：图5-9 高频相干调制解调系统BER测试时间窗（3）仿真结果每次循环时，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5-10 终值计数器的显示图5-11 高频相干解调误码率曲线在System View系统窗内运行电路后，观察输出的误码率曲线。测得的误码率波形与理想误码率波形比较如图所示，上面的为测得的误码率曲线，下面的为理想的误码率曲线。图5-12 测得的误码率与理想误码率曲线的比较5.2.3 低频差分相干解调（1）仿真模型的建立首先，二进制PN序列产生随机信源（绝对

24、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。仿真图如下所示：图5-13 低频差分相干解调（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40Hz；低通滤波器截止频率为18Hz；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：图5-14 低频差分相干解调的时间窗

25、（3）仿真结果分析图5-15 系统的仿真波形图由图可知2DPSK相干调制解调系统的得到的绝对码与原信源码一样。5.2.4 高频差分相干解调系统BER测试仿真模型（1）仿真模型的建立信源信号经过一个延时器，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5-16 高频差分相干解调系统BER测试仿真模型（2）元器件参数的设定PN码频率为1000Hz，电平=1，偏移=0；延时时间为一个码元的时间为0.001s；载波频率为2000Hz；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

26、输出为1，否则输出为-1。BER计数器的参数：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曲线的基础图5-17 BER计数器的参数时间窗：图5-18 高频相干调制解调系统BER测试时间窗（3）仿真结果每次循环时，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5-19 终值计数器的显示图5-20 高频差分相干解调误码率测得的误码率波形与理想误码率波形比较如图所示，上面的为测得的

27、误码率曲线，下面的为理想的误码率曲线。图5-21 测得的误码率与理想误码率曲线的比较六、心得体会大三下学期最后我们电子信息学院信息专业四个班进行了为期一周半的通信原理课程设计，课设的内容是数字调制系统误比特率（BER）测试的仿真设计与分析。2DPSK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、非相干接收2DPSK调制传输系统为误比特率分析对象，让我们通过利用实验室设备对抽象的课本知识进行动手操作，从而加强理解，学以致用。当然课设整个过程下来我们深有体会的还是处理问题的能力得到加强，同时也增强了动手能力和独立思考能力。我们学习了一个学期的通信原理，学

28、习的都是理论知识，这次课程设计前首先复习我们学过的课本知识，知己知彼才能百战不殆，只有心里有个大概的轮廓我们才有可能对SystemView仿真软件信手拈来。所以课下我们首先做的工作就是复习课本2DPSK相关内容和查资料关于SystemView仿真软件的使用方法及其各符号命令的英译汉含义。我们对这次的软件非常陌生所以课设过程中遇到很多难题。我们遇到的第一个难题就是SystemView的仿真软件，在对SystemView的熟悉花费了一定得时间，由于以前从未接触过这个软件，在此之前对这个软件的认识几乎为零，SystemView在通信仿真软件中是具有分出重要的地位的，作为学习信息的我们，掌握Syste

29、mView软件是对我们最基本的要求。所以在这次的课设对于我们来说是学习这个软件一次很好的机会，能够对它有最初的认识。通过一次又一次的删除和添加终于能够把系统中所需要的期间找齐全。然后是对器件的参数进行设置，一次又一次更改参数，不是出不来波形就是波形不正确，有的同学做的比我们快，他们解决不了的问题就向老师请教，在老师耐心的指导下他们做出了正确的波形，而动作慢又不细心的我总是得不到正确的波形，从而产生一种挫败感，急的我参照别人正确的参数，偶尔有一次我和别人的参数设定一模一样却还是得不到理想结果，这时候的我不得不怀疑自己的人品了。最终还是功夫不负有心人，发现还是自己有点粗心某个参数没设置成功而我不知道。通过合理的设置参数得到了符合理论的波形。短短一周半的通信原理课设，使我们利用建立的SystemView DPSK系统相干、非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，并和理论曲线相比较，验证仿真的正确性；信道模型为加性高斯白噪声信道。 七、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，20022 罗卫