林 青，鄭 杰

（中國石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東青島 266580）

0 引言

通信原理課程實驗，大部分高校主要是利用實驗箱進行。針對這部分的調(diào)制系統(tǒng)實驗，其特點是各個模塊都已集成，其參數(shù)均已給定，并且采用的理想信道，這種情況下，學(xué)生利用示波器觀察調(diào)制及解調(diào)波形，觀察眼圖情況，所以這個實驗是驗證性的，比較理想化。缺乏實驗內(nèi)容的工程性、實驗方法的多樣性和實驗過程的探究性。因此，設(shè)計了二級制差分相移鍵控（Binary Differential Phase shift Keying，2DPSK）多參數(shù)調(diào)整通信系統(tǒng)仿真實驗。學(xué)生根據(jù)2DPSK 調(diào)制解調(diào)基本原理自行設(shè)計各個模塊的參數(shù)，并且可設(shè)計高斯白噪聲信道中的噪聲，利用示波器觀察其解調(diào)波形的及眼圖的變化，還可以分析高斯白噪聲信道對2DPSK通信系統(tǒng)的可靠性影響。讓學(xué)生利用通信系統(tǒng)的基本原理判斷和識別通信工程問題中各環(huán)節(jié)的參數(shù)。

1 調(diào)制模塊直接建模仿真

Simulink 通信模塊庫中有調(diào)制解調(diào)模塊，選用調(diào)制模塊（M-DPSK Modulator Baseband）和解調(diào)模塊（MDPSK Demodulator Baseband），就可以直接對二進制序列完成調(diào)制解調(diào)。由于任何通信系統(tǒng)中，都包含加性高斯白噪聲，故選用的是加性高斯白噪聲信道模塊（AWGN-Channel），信號源采用的是伯努利隨機數(shù)字信號源模塊（Bernoulli Binary）來完成2DPSK的建模仿真。為方便觀察眼圖、計算系統(tǒng)誤碼率，選用眼圖模塊（Discrete-Time Eye Diagram Scope）及計算誤碼率模塊（Error Rate Calculation），得到圖1 所示的仿真圖。

圖1 2DPSK系統(tǒng)仿真模型（直接法）

1.1 眼圖

眼圖能夠直觀觀察通信系統(tǒng)碼間串?dāng)_和信道噪聲等因素的影響情況，估計通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。在傳輸二進制信號波形時，示波器顯示的圖形很像人的眼睛，故名眼圖。眼圖線跡越細越清晰，說明系統(tǒng)的碼間串?dāng)_及噪聲影響越小，反之，就越大。

在傳統(tǒng)實驗箱實驗中，采用的是理想信道及比較理想的調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)，所以觀察到的眼圖也比較理想。在仿真系統(tǒng)中，學(xué)生可更改信道噪聲的平均功率，修改碼間串?dāng)_的大小，方便查看眼圖隨噪聲及碼間串?dāng)_的變化。圖2（a）所示為AWGN信道的噪聲平均功率為0 時的眼圖，可見，眼圖較大，接近課本上描述的理論值。圖2（b）、（c）所示分別為噪聲平均功率為0.05、0.2，存在一定碼間串?dāng)_情況下的眼圖，可見，噪聲及碼間串?dāng)_越大，眼圖張開的越小，輪廓線跡越模糊，過零點失真越大。

圖2 眼圖

1.2 系統(tǒng)可靠性

通信系統(tǒng)的可靠性可以用誤碼率來衡量。在仿真模型中，利用程序不斷改變AWGN 中噪聲的平均功率，即信噪比，可以得到2DPSK 系統(tǒng)誤碼率隨信噪比變化曲線，如圖3 所示。由仿真結(jié)果可見，信噪比越大，誤碼率越小，即2DPSK 系統(tǒng)的可靠性越好。同時為了比較，增加了二進制相位鍵控（Binary Phase shift Keying，2PSK）系統(tǒng)誤碼率隨信噪比變化的曲線，由圖3 可以見，在相同的信噪比下，2PSK 的抗噪聲干擾性能優(yōu)于2DPSK，但2PSK中存在反向工作現(xiàn)象。

圖3 系統(tǒng)誤碼率曲線

2 利用2DPSK原理建模仿真

由于直接利用M-DPSK Modulator Baseband 模塊得到的是星座圖，無法觀察到調(diào)制波形，并且利用MDPSK Demodulator Baseband模塊，無法根據(jù)2DPSK原理來設(shè)置接收端接收濾波器以及低通濾波器參數(shù)設(shè)置，不能很好地理解2DPSK 的原理?；诖?，設(shè)計了2DPSK原理仿真模型，如圖4 所示。

圖4 2DPSK系統(tǒng)仿真模型圖

在通信系統(tǒng)中，最重要的是根據(jù)原理結(jié)合實踐對各個模塊參數(shù)進行設(shè)置。并且改變信號源與載波參數(shù)，讓學(xué)生重新設(shè)置參數(shù)。

隨機信號源：

式中：ɑn為相對序列，以概率p出現(xiàn)時為-1，以概率1 -p出現(xiàn)時為1；g(t) 為矩形脈沖；TS為碼元寬度。

載波信號：

式中，ωc為載波頻率。

調(diào)制信號：

調(diào)制信號的功率譜：

式中，R2DPSK(τ)為e2DPSK(t)的相關(guān)函數(shù)。

經(jīng)推導(dǎo)可得：

由式（5）可見，2DPSK 信號的中心頻率是fc，帶寬是2fs。在設(shè)計接收端帶通濾波器時，其理論值應(yīng)該是中心頻率為fc，帶寬為2fs，但在仿真平臺上，帶通濾波器的參數(shù)值應(yīng)該是按照工程值來取，其帶寬值都要比理論值大一些。同理，也可以設(shè)定接收端的低通濾波器的截止頻率。

實驗過程中，要求學(xué)生多次改變信號源及載波的頻率，根據(jù)原理重新設(shè)定接收端各環(huán)節(jié)的參數(shù)值。可以結(jié)合原理，參考頻譜分析模塊Spectrum Analyzer，設(shè)置接收端各模塊參數(shù)。重點是讓學(xué)生掌握2DPSK 的調(diào)制解調(diào)原理，理解2DPSK 信號波形的特點：“1”變“0”不變，學(xué)會用模塊Spectrum Analyzer查看其頻譜搬移過程。實驗波形如圖5、6 所示。

圖5 信號波形

圖6 信號功率譜密度函數(shù)

通過實驗，學(xué)生必須在完全掌握2DPSK的調(diào)制解調(diào)原理，經(jīng)過認真的分析，準(zhǔn)確地計算，結(jié)合工程的應(yīng)用，才能確定各個模塊參數(shù)，得出正確的結(jié)論。

3 結(jié)語

由于通信原理實驗大多是驗證性的，為了解決這一問題，設(shè)計了多參數(shù)調(diào)整的仿真實驗，學(xué)生可以利用Simulink進行仿真，也可以利用Matlab 編寫程序完成實驗。本實驗不僅調(diào)動學(xué)生的積極性，鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力，提升學(xué)生的實驗探究能力，同時也取得了良好的教學(xué)效果。

·名人名言·

科學(xué)需要幻想，發(fā)明貴在創(chuàng)新。

——愛迪生