全数字BPSK调制解调系统的仿真

信号处理类

第31卷第1期

2003年2月浙江工业大学学报JOURNALOFZHEJIANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.31No.1Feb.2003文章编号:100624303(2003)0120042206

全数字BPSK调制解调系统的仿真

孟利民,朱健军,赵新建,周利民

(浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310032)

摘要:现代通信越来越依靠全数字处理技术,通信系统中的全数字调制解调意味着发射机及接收机将全部采用数字信号处理(DSP)算法,从而整个通信系统就可以用DSP芯片或超大规模集成电路(VLSI)器件来实现。对全数字BPSK调制解调系统采用计算机仿真的方法进行研究能清楚地了解通信系统中所运用的数字信号处理技术,包括信息源、发送和接收滤波器、内插器以及判决器等全部采用数字信号处理算法来实现。文章给出了BPSK调制解调系统各个模块的算法和结构,运用MATLAB软件进行了仿真,和频域波形图,系统仿真的设计方法对QPSK、16QAM具有实际的指导意义。

关键词:全数字调制解调;数字信号处理;M;中图分类号:TN761.6:Sidmodulationanddemodulationsystem

MENGLi2min,ZHUJian2jun,ZHAOXin2jian,ZHOULi2min

(CollegeofInformationEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China)

Abstract:All2digitalprocessingtechnologyisindispensableinmoderncommunication.All2digitalmodulationanddemodulationmeanthatthetransmitterandreceiverwilladoptdigitalsignalprocessing(DSP)algorithmentirely.SoallcommunicationsystemsmaybeimplementedbyDSPchipsorVLSIdevices.Throughtheresearchonall2digitalmodula2tionanddemodulationsystembycomputersimulation,wecanclearlyunderstandthedigi2talsignalprocessingtechnologyofcommunicationsystemweuseincludingtheimplemen2tationofinformationstream,thetransmitingfilterandreceivingfilter,theinterpolator,andtheslicer,etc.byusingdigitalsignalprocessingalgorithmentirely.Thispaperde2scribesthealgorithmandarchitectureofseveralmodulesintheBPSKmodulationandde2modulationsystem.Theall2digitalBPSKmodulationanddemodulationsystemissimulat2edbyapplyingMATLABsoftware.Itpresentsvariousfiguresofthetimefieldandthefrequencyfield.ThedesignschemeofsystemsimulationtakesonactualsignificanceforthehardwareimplementationofQPSK,16QAM,etc.ofall-digitalmodulationandde2modulationsystems.

Keywords:all2digitalmodulationanddemodulation;digitalsignalprocessing;MATLABsoftware;systemsimulation

收稿日期:2002204220;修订日期:2002212205

基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(601083)

作者简介:孟利民(1963-),女,浙江金华人,副教授,在读博士,研究方向为通信信号处理和软件无线电。

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第1期孟利民,等:全数字BPSK调制解调系统的仿真 43 0　引　言

近年来,随着电子技术和计算机技术的进步,尤其是数字信号处理器(DSP)芯片速度的提高,数字信号处理技术在通信系统中的应用已越来越引起人们的重视,从而全数字调制解调[1]及软件无线电概念应运而生。这种全数字和软件化收发机的特点是发射机全部采用数字化结构,接收机采用一独立的固定频率对接收的中频信号甚至射频信号进行采样,之后的解调处理、载波恢复、位定时恢复、判决等工作全部由DSP即超大规模集成电路器件来完成。因此,全数字系统的性能仅取决于算法和DSP芯片即VLSI器件的精度。

随着通信系统复杂性的不断增加,传统的设计方法已经不能适应发展的需要,通信系统的模拟仿真技术越来越受到工程技术人员的重视。使用户在很短的时间内建立整个通信系统模型,并对它进行模拟仿真,然后将仿真结果应用于实践,是一套较好的系统设计方法。

是世界上比较流行的系统仿真软件包,它是MathWorks公司于1982年推出的

一套高性能的数值计算和可视化软件,它集数值分析、矩阵计算、,构成了一个方便的、界面友好的用户环境。本次MATLAB、方均根余弦滤波器、全数字BPSK调制、全数字BPSK,MATLAB[2]域波形图。系统仿真的设计方法对QPSK、16础,1BPSK调制解调系统的模型如图1所示,调制部分包括

信息源、发送滤波器和调制器,接收部分包括接收滤波器、内插器和

判决器,载波恢复和位同步恢复分别由控制量抽取因子mk和定时

调整系数Λk(0≤Λk<1)控制内插器工作来完成,信道干扰为加性

高斯噪声。各部分分析如下。

1.1　信息源图1　全数字BPSK调制解调系统框图

实际的数字基带信号是随机的,为了实验和测试方便,一般都

是用m序列发生器[3]产生一个伪随机序列来充当数字基带信号源。m序列是最长线性反馈移存器序列的简称,它是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。一般说来,一个n级m序列发生器可能产生的最长周期等于(2n-1)。仿真时,我们将设计一个10阶的m序列,其特征方程为f(x)=x10+x3+1,将产生长度为m=210-1=1023的m序列。

1.2　发送和接收滤波器

滤波器可分为无限长单位冲激响应(IIR)滤波器和有限长单位冲激响应(FIR)滤波器,而FIR滤波器比IIR滤波器的应用广泛得多。这有许多原因,其中最重要的一个原因是利用FIR滤波器能获得线性相位响应。在数据传输中,非线性的相位延迟将导致符号间的干扰,特别在信噪比不高的时候将导致误码率的升高。

就整个系统而言,在发送端和接收端各设一滤波器。将发送端和接收端作为一个整体,根据奈奎斯特第一准则,设计成无码间干扰的基带传输系统,以减少系统在一定信噪比下的误码率。为有效地抑制噪声,提高接收端的信噪比,发送滤波器和接收滤波器必须匹配[4],即

HT(f)=HR(f)=H(f)(1)

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44 浙江工业大学学报第31卷其中H(f)为满足条件的波形成形函数,HT(f)和HR(f)分别为发送滤波器和接收滤波器的传输函数,两者的合成特性应能使码间串扰最小,且频谱集中在传输带宽内。

可以证明,若H(f)采用升余弦滚降的频谱函数,则发送和接收滤波器的冲激响应hT(t)和hR(t)将满足下式:

hT(t)=hR(t)=2222Πt(T-16tB)(2)

其中,T为符号周期,f0=1 2T;B为余弦滚降系数(0≤B≤1)。则满足HT(f)=HR(f)=H(f)的滤波器称为均方根余弦滚降滤波器。

设输入信号St(t)表示为

+∞

St(t)=

n=-∞∑a (t-nnT)(3)

则获得的输出信号S0(t)为:

+∞

S0(t)=St(t)3hT(t)=∑ahnT(t-nT)(4)

-∞

理论上hT(t)是时域无限的,hT(t)T(t使HT(f)产生拖尾,从而引起频谱泄漏。。M,反之则越大。一般,取M=8)M,得到长度为M×Λ的数字信号序列an()YT,可表示成:

MΛ-1

YT(n)=∑h

k=0T

(k)an(n-k)(5)

1.3　BPSK调制器

二进制移相键控(BPSK)调制是载波相位按基带脉冲变化的一种数字调制方式。BPSK的信号形式一般表示为

e0(t)=∑ag(t-n

nnTs)cosΞct(6)

这里,g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲,而an的统计特性为

an=+1,概率为P

-1,概率为(1-P)

绝对移相BPSK存在相位模糊,因此实际应用中多采用相对移相2DPSK的调制方式。这只要在信号源后加一个码变换,且在解调端的抽样判决器后加一个码反变换器。对于本次的仿真做的是BPSK,在需要时可以方便地改成2DPSK。这一点在仿真过程中没有任何技术问题。

BPSK信号产生的方法有调相法和相位选择法两大类。

在具体实现时,我们取每码元两个载波,每载波抽样16个

点,即每码元抽样32点。因此,用调相法实现时,我们可以

方便地用数字乘法器实现,具体方法见图2。

1.4　噪声在实际系统中,信号通过信道后,必然会加进噪声,典图2　BPSK调制器方框图型的是高斯噪声,所以我们必须有一个噪声发生器作为仿

真时的噪声源。在MATLAB中,自带有一个产生高斯噪声的函数,它产生一个服从正态分布的随机信号,且均值为0,方差为1。但我们也可以利用其概率密度分布函数推导出高斯噪声的表达式。

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第1期孟利民,等:全数字BPSK调制解调系统的仿真 45

1.5　内插器

全数字解调中的定时调整是由内插

器[5]

来完成的,它与传统方法的主要区别在于它通

过对信号的运算而达到对时间进行调整的目

的。典型的全数字解调定时恢复框图如图3。

图中,输入的X(t)为PAM信号,周期

为T。假设X(t)是带限信号,且以1 Ts速率图3　全数字解调定时恢复框图进行再抽样时不会发生频谱混叠,抽样值表示为X(mTs)=X(m)。在实际中由于Ts的定时来源于独立的本地标称时钟,故T Ts的值必是个无理数。把采样信号送入内插器计算,输出的抽样值表示为y(kTi)=y(k),它是以Ti为抽样周期的函数。且应有Ti=T K,K是一个小整数,即Ti与T应是同步的。然后,数据滤波器根据K值降抽

样恢复出原始数据。

很显然,把采样周期Ts转换成与输入信

号周期T同步的时钟周期Ti将由内插器来

完成,因此内插器在定时恢复中起重要的作图4用。我们可以将内插器假想成一个模数混合

的速率转换器,其模型如图4。

,:(1)输入的序列{X(m)};(2)内插I(3)mTs和kTi。我们仍可用全数字的方式计算内插值,。

hI(t),则滤波器的输出信号为:

y(t)=∑x(m)h

mI(t-mTs)(7)

现在对y(t)以t=kTi的速率再抽样。如前所述Ti是与信号码元周期同步的,故Ti Ts必定是无理数,即内插抽样脉冲与本地抽样时钟是不同步的。内插后的输出y(kTi)为:

y(kTi)=∑x(mT

ms)hI(kTi-mTs)(8)

通常我们并不知道Ti,对第m个采样信号,定义i=int[kTi Ts]-m,int[z]是指对z取整,引入一个基点系数mk=int[kTi Ts]和分数Λk=kTi Ts-mk,这儿0≤Λk<1。可得m=mk-i,kTi mTs=(i+Λk)Ts,kTi=(mk+Λk)Ts,代入方程(8)得:

I2

y(kTi)=y[(mk+Λk)Ts]=∑x[(m

i=I1k-i)Ts] hI[(i+Λk)Ts](9)

方程(9)就是数字接收机中定时恢复所需的内插建立基本方程。

其中,mk通常称为抽取因子,系数Λk称为调整系数,I1和I2与内插级数有关。

引入的参数mk、Λk是具有实际意义的。它表示了Ti和Ts之间时间的调整关系。由于Ti和Ts的比值是个无理数,因此分数Λk也将是个无理数且对每次内插都是变化的,直至定时环稳定时,Λk将重复出现在某一定值上,此时Ti和Ts通过Λk的调整已达到同步。因此,设法得到内插器的控制量mk和Λk,就可达到定时调整的目的。采用数字锁相环法可得到内插器的控制量,当然也可通过另外的控制算法得到。

1.6　判决器

接收信号通过内插后就应进行判决恢复出原始的基带信号,而判决方式的好坏对于能否正确的解调具有重要的决定作用。本仿真中采用理想的斜率判决方式。

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46 浙江工业大学学报第31卷2　全数字BPSK调制解调系统的仿真

我们用MATLAB工具对BPSK全数字系统作仿真,系统仿真流程图如图5。

采用10阶伪随机序列产生的基带信号,其周期为0.1ms,将此基带信号通过方均根余弦滤波器进行信号成形,滚降系数为0.2,然后进行BPSK调制到20KHz的载波上,这一部分仿真的时域波形见图6。

噪声源为加性高斯噪声,加噪声后的调制信号频谱见图7

。

图5　仿真流程图图7　加噪声后调制信号频谱图8　控制系数与误码率的关系曲线

图9　内插调整波形图10　调制前和调制后的基带码元序列

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第1期孟利民,等:全数字BPSK调制解调系统的仿真 47 　　我们把接收到的经高斯信道的调制信号送入内插器运算,内插器分别取线性内插、立方内插和Α=0.5[6]系数的内插,mk取2(因为每周期2个载波),经判决输出后,系统的误码率与Λk的调整及信噪比的关系如图8所示。由图8可见,调整系数Λk可使系统的误码率达到最小,说明用内插方式实现全数字解调是可行的。此系统对于104个基带信号在信噪比为6dB时仿真结果为:在Λk=0.59时系统调整到最佳,误码率为1.9×10-3,在发送125、197、267、1338、1563、4650、5066、5383、5920、6237、6637、6965、8024、8140、9342、9357、9426、9564、9691这19个数据时发生误码。调制信号及内插调整的波形见图9。其中内插滤波器选用Lagrange立方内插,内插后的信号比原来的信号有一个时间上的移动,说明内插确实能使系统达到定时同步,部分解调的基带波形见图10(取十个码元)。

3　结　论

本文对全数字BPSK调制解调系统的各个模块作了分析,对全数字BPSK调制解调系统采用计算机仿真的方法进行研究能清楚地了解通信系统中所运用的数字信号处理技术,、发送和接收滤波器、。TLAB编程的方法对系统进行了仿真,。QPSK及MQAM全数字系统的设计提供良好的基础。

参考文献:

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(责任编辑:陈石平)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/y0w1.html