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1、正交编码加正交编码加 BPSK 与与 MFSK 性能仿真性能仿真1、正交编码加、正交编码加 BPSK 仿真仿真1.1、系统模型、系统模型通信系统模型如图 1 所示。数字信 源正交编 码平方根升余 弦滤波器上采样 +平方根升余 弦滤波器误码率 统计相关检 测下采样AWGN图 1 正交编码加 BPSK 系统框图各模块的功能和参数设置:数字信源数字信源:产生等概的 0、1 序列。正交编码正交编码:将输入的 01 序列映射为 M 阶 Hadamard 正交序列,编码效率为 2log1cMkRMM上采样上采样:将编码后的数据进行插零,如果过采样率为,则相邻码元符号sF之间插入 Fs-1 个 0.平方根升
2、余弦滤波器平方根升余弦滤波器:接收端与发送端采用相同的平方根升余弦滤波器,两者综合的效果相当于一个升余弦滤波器,能够抵抗码间干扰,同时也实现了匹配滤波。本仿真中,采用 FIR 滤波器,滚降系数,抽头个数0.3.其中,为滤波器阶数,为滤波器的过采样率。 21TsNN FTNsFAWGNAWGN:加性高斯白噪声,根据系统仿真设置的来计算符号信噪比/boEN,对于实信号,两者之间的转换关系为:SNR 02/2b csESNRRFN其中,为比特信噪比,为编码效率,定义式如,为过采样/boENcR 1sF率。下采样下采样:对接收端经过平方根升余弦滤波器之后的输出进行抽取采样。这里需要注意滤波器的延迟,综
3、合发送端和接收端滤波器的影响,输出延迟为: 23TsDelayN F相关检测相关检测:对采样数据进行相干检测,即对每个符号的接收波形分别与个正交波形进行相关运算,得到最大的相关值,所对应的正交波形即为该符M号的发送波形,利用编码映射关系即可得到发送序列的估计。误码率统计误码率统计:利用蒙特卡洛方法对误码率进行估计。1.2、MATALB 仿真仿真1.2.1、正交编码加、正交编码加 BPSK 不同编码效率不同编码效率由式,不同的 Hadamard 正交波形的阶数 M 决定了不同的编码效率。对 1于不同的比特信噪比,分别仿真时的误比特率性能,并且/boEN2 4 8 16M 、根据式转换关系,分别以
4、、为横坐标做出 BER 性能曲线,如图 2/boENSNR2 和图 3 所示。由图 2、3 可以看出,随着 M 阶数的增加,相同、时,误码率降/boENSNR低。即编码效率越低,误码率越低。误码性能的提高是以降低编码效率或者提高系统带宽为代价的。当采用 M 进制的正交信号时,所需传输带宽为未编码信号带宽的倍。作为对比,图 2 中还做出了未编码 BPSK 的误码率性能,可/Mk以看到,当 M=2,4 时,误码率性能要低于未编码的 BPSK,其原因可以这样理解:采用编码可以带来编码增益,但同时编码增加的冗余比特使得在相同的 /boEN情况下码元信噪比降低,性能恶化。M=2、4 时后者的影响要大于前
5、者。而当时,编码增益的提高影响更大,所以误比特率性能提高。4M -2-10123456710-510-410-310-210-1100Eb/N0/ (dB)BER下 下 下 下 下 BPSK下 下 下 下 下 下 下 下 BERRc=1/2 Rc=2/4 Rc=3/8 Rc=4/16 下 下 下 BPSK图 2 正交编码加 BPSK 不同编码效率下的 BER(1)-9-8-7-6-5-4-3-2-10110-510-410-310-210-1100SNR/ (dB)BER下 下 下 下 下 BPSK下 下 下 下 下 下 下 下 BERRc=1/2 Rc=2/4 Rc=3/8 Rc=4/16图
6、 3 正交编码加 BPSK 不同编码效率下的 BER(2)1.2.2、不同仿真采样率下误码率性能、不同仿真采样率下误码率性能取 M=8,分别仿真过采样率为时系统的误码率,在不同的横坐2,5,8,10sF 标下做出误码率曲线,如图 4,5 所示。-2-10123456710-410-310-210-1100Eb/N0/ (dB)BER下 下 下 下 下 BPSK下 下 下 下 下 下 下 BERFs=2 Fs=5 Fs=8 Fs=10图 4 正交编码加 BPSK 不同采样率下的 BER(1)由图 4 可以看出,在相同的比特信噪比时误码率性能在不同的采样/boEN率情况下是一样的,图中不同曲线之间
7、的误差是随机误差。而由图 5 中显示,在相同的条件下,随着采样率的提高,误码率降低。原因在于,相同SNRSNR时,采样率越高对应的越大,其误码率就越低。所以,对于连续信道,/boEN用作为横坐标比用更具有可比性,因为它是用平均传输每一个原始/boENSNR信息比特的能量与信道噪声的功率谱密度作比较,从而避免了因冗余的引入使得总传输能量增加而造成的不可比性。-14-12-10-8-6-4-202410-410-310-210-1100SNR/ (dB)BER下 下 下 下 下 BPSK下 下 下 下 下 下 BERFs=2 Fs=5 Fs=8 Fs=10图 5 正交编码加 BPSK 不同采样率下
8、的 BER(2)2、MFSK 仿真仿真2.1、系统模型、系统模型采用相干检测的 MFSK 系统模型如图 6 所示。数字信 源MFSK映 射平方根升余 弦滤波器上采样 +平方根升余 弦滤波器误码率 统计相干检 测下采样AWGN图 6 MFSK 系统框图各模块的功能和参数设置:数字信源数字信源:产生等概的 0、1 序列。MFSKMFSK 编码编码:采用正交 MFSK 波形调制,这与正交编码加 BPSK 相类似,都是将个信息比特映射为不同的正交波形(序列) 。设每个符号的样本数2logkM为,则编码效率为50SamplePersymbol 2log3cMRSamplePersymbol上采样上采样:
9、将编码后的数据进行插零,如果过采样率为,则相邻码元符号sF之间插入 Fs-1 个 0.平方根升余弦滤波器平方根升余弦滤波器:接收端与发送端采用相同的平方根升余弦滤波器,两者综合的效果相当于一个升余弦滤波器,能够抵抗码间干扰,同时也实现了匹配滤波。本仿真中,采用 FIR 滤波器,滚降系数,抽头个数 N=30.0.3AWGNAWGN:加性高斯白噪声,根据系统仿真设置的来计算符号信噪比/boEN,对于实信号,两者之间的转换关系为:SNR 02/4b csESNRRFN其中,为比特信噪比,为编码效率,定义式如,为过采样/boENcR 3sF率。下采样下采样:对接收端经过平方根升余弦滤波器之后的输出进行
10、抽取采样。这里需要注意滤波器的延迟,综合发送端和接收端滤波器的影响,输出延迟为: 25sDelayNF相关检测相关检测:对采样数据进行相关检测,即对每个符号的接收波形分别与个正交波形进行相关运算,得到最大的相关值,所对应的正交波形即为该符M号的发送波形,利用编码映射关系即可得到发送序列的估计。误码率统计误码率统计:利用蒙特卡洛方法对误码率进行估计。2.2、MATALB 仿真仿真2.2.1、MFSK 不同调制阶数不同调制阶数分别仿真时正交 MFSK 相干检测时误比特率性能,并且根据2 4 8 16M 、式转换关系,分别以、为横坐标做出 BER 性能曲线,如图 7 和 4/boENSNR图 8 所
11、示。-2-10123456710-510-410-310-210-1100Eb/N0/ (dB)BERMFSK下 下 下 下 下 下 下 下 BERM=2 M=4 M=8 M=16图 7 正交编码加 BPSK 不同编码效率下的 BER(1)由图 7、8 可以看出,随着 M 阶数的增加,相同、时,误码率降/boENSNR低。即编码效率越低,误码率越低。误码性能的提高是以降低编码效率或者提高系统带宽为代价的。当采用 M 进制的正交信号时,所需传输带宽为未编码信号带宽的倍。/Mk-23-22-21-20-19-18-17-16-15-14-1310-510-410-310-210-1100SNR/
12、(dB)BERMFSK下 下 下 下 下 下 下 下 BERM=2 M=4 M=8 M=16图 8 正交编码加 BPSK 不同编码效率下的 BER(2)2.2.2、不同仿真采样率下误码率性能、不同仿真采样率下误码率性能取 M=8,分别仿真过采样率为时系统的误码率,在不同的横坐2,5,8,10sF 标下做出误码率曲线,如图 9,10 所示。由图 9 可以看出,在相同的比特信噪比时误码率性能在不同的采样/boEN率情况下是一样的,图中不同曲线之间的误差是随机误差。而由图 10 中显示,在相同的条件下,随着采样率的提高,误码率降低。原因在于,相同SNRSNR时,采样率越高对应的越大,其误码率就越低。
13、所以,对于连续信道,/boEN用作为横坐标比用更具有可比性,因为它是用平均传输每一个原始/boENSNR信息比特的能量与信道噪声的功率谱密度作比较,从而避免了因冗余的引入使得总传输能量增加而造成的不可比性。-2-10123456710-410-310-210-1100EbN0/ dBBERMFSK下 下 下 下 下 下 下 下 BERFs=2 Fs=5 Fs=8 Fs=10图 9 正交编码加 BPSK 不同采样率下的 BER(1)-22-20-18-16-14-12-10-8-6-410-410-310-210-1100SNR/ (dB)BERMFSK下 下 下 下 下 下 下 下 BERFs
14、=2 Fs=5 Fs=8 Fs=10图 10 正交编码加 BPSK 不同采样率下的 BER(2)3.总结总结本文分别针对正交编码加 BPSK 与 MFSK 数字通信系统的误码率性能进行了仿真。虽然具体实现方法不是完全一样,但本质上两者都是利用正交波形调制方法实现了误码率性能的提高,其代价为较低的频谱效率。由仿真结果可以看到,正交编码加 BPSK 与相同阶数的 MFSK 的误比特率性能是相同的,这与理论分析是一致的。另外,通过比较不同的横坐标,说明了在数字通信系统中,以信噪比的归一化形式作为性能指标更具有实际意义。0/bEN参考文献参考文献1.Bernard Sklar, 徐平平等译,数字通信-基础与应用,电子工业出版社,北京,2002.2.MATLAB, Communication tool box. The MathWorks,Inc, 1984-2012