CN101997664A - 一种对信号传输的比特错误率进行分析的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种对信号传输的比特错误率进行分析的方法，其通过LabVIEW语言实现，首先建立用以输出已调制的模拟基带信号的矢量信号发生器；其次使所述矢量信号发生器输出已调制的两种信号：一模拟噪音通道的带噪音信号和一无噪音信号；再建立矢量信号分析器，使所述矢量信号分析器解调所述两种信号，并利用比较器和计算器计算所述两种信号的差异并输出比特错误率。

Description

一种对信号传输的比特错误率进行分析的方法

技术领域

本发明涉及数字通信测量领域，特别涉及一种对信号传输的比特错误率进行分析的方法。

背景技术

一个通信系统，参见图1，通常包括三个要素：发射器，信道和接收器。

发射器的功能是把信息源产生的信号注入载波，然后通过改变载波的幅值、频率或相位，调制成适合在信道中传输的信号。调制过程可以把源信号的频谱搬移到任意位置，从而有利于信号的传送，并且可以借助多路复用的方法使得频谱资源得到充分利用。信道是信号传输的媒介，在传输的过程中信号会有不同程度的衰减，其主要来源是可加性噪声。因此，接收器需要用相应解调算法从载波中提取出原始的信号信息。实际解调的准确性取决于解调算法的选择、信噪比等因素。

对于信号传输的比特错误率，可以通过LabVIEW语言设计虚拟仪器来进行相关的测试，从而实现比特错误率的计算。

LabVIEW是美国国家仪器公司开发的一种创新的图形化编程环境，相比基于文本的编程语言，提出了基于块(Block)的系统设计方法。每一个LabVIEW程序都可以设计成一个虚拟仪器(VI)，同时，一个VI还可以有多个子VI。

LabVIEW的核心思想是结构化的数据流，每一个VI运行都必须遵循数据流的规范，即一个节点只有当所有的输入都具备时才可运行，运行完成后的结果作为输入输出到下一个节点。

发明内容

本发明的目的是提供一种对信号传输的比特错误率进行分析的方法，其能输出比特错误率。

本发明提供一种对信号传输的比特错误率进行分析的方法，其通过LabVIEW语言实现，包括以下步骤：

1.1、建立包括基带数字信号发生器、脉冲成形滤波器、I/Q调制器及D/A转换器的矢量信号发生器，用以输出已调制的模拟基带信号；

1.2、使所述矢量信号发生器输出已调制的两种信号：一模拟噪音通道的带噪音信号和一无噪音信号；

1.3、建立包括A/D转换器、I/Q解调器、接收端滤波器及采样映射器的矢量信号分析器，接收所述矢量信号发生器输出的所述两种信号；

1.4、使所述矢量信号分析器解调所述两种信号，并利用比较器和计算器计算所述两种信号的差异并输出比特错误率。

所述步骤1.1中基带数字信号发生器的工作步骤包括：

生成二进制序列；

通过星座图将二进制序列映射为基带符号；

将基带符号的幅值乘以一能量控制常量；

将经过能量控制的基带符号分离成IQ调制中的I通道数据和Q通道数据并输出。

所述步骤1.1中的脉冲成形滤波器的工作步骤包括：

获取基带符号流，同时建立一根升余弦滤波器和一移位寄存器；

在发送端通过所述根生余弦滤波器对基带符号进行成形滤波；

在接收端通过所述移位寄存器对基带符号进行匹配滤波。

所述步骤1.1中的I/Q调制器的工作步骤包括：

将滤波后的I通道数据通过cos(2πf_ct)载波进行调制；

将滤波后的Q通道数据通过sin(2πf_ct)载波进行调制；

将上述两步骤调制后的数据与I/Q通道的信号经乘积调制并输出。

所述步骤1.3中A/D转换器通过外部的采样时钟和开始触发器连接采集卡的可编程接口以进行数字化采样。

所述步骤1.3中的I/Q解调器的工作步骤包括：

获取数字调制信号并建立两个相干检波器A′_ccos(2πf_ct)和A′_csin(2πf_ct)；

通过所述检波器A′_ccos(2πf_ct)对调制信号进行检波并分离输出I通道数据；

通过所述检波器A′_csin(2πf_ct)对调制信号进行检波并分离输出Q通道数据；

建立一低通滤波器，使其对所述分离输出的I通道数据和Q通道数据进行低通滤波并输出低频信号。

所述步骤1.3中的采样映射器的工作步骤包括：

计算I通道和Q通道中数据符号的位置Ln；

获取Ln对应的基带符号；

根据相应的调制算法将获取的基带符号映射到星座图上绘制图像并进行分析。

采用本发明所述的一种对信号传输的比特错误率进行分析的方法，其通过LabVIEW语言实现，首先建立用以输出已调制的模拟基带信号的矢量信号发生器；其次使所述矢量信号发生器输出已调制的两种信号：一模拟噪音通道的带噪音信号和一无噪音信号；再建立矢量信号分析器，使所述矢量信号分析器解调所述两种信号，并利用比较器和计算器计算所述两种信号的差异并输出比特错误率。

附图说明

图1为目前通信系统的构成元素示意图；

图2为所述对信号传输的比特错误率进行分析的方法的流程图；

图3为所述矢量信号发生器建立过程的流程图；

图4为所述矢量信号发生器的原理框图；

图5为所述基带数字信号发生器的工作流程图；

图6为所述脉冲成形滤波器的工作流程图；

图7为所述I/Q调制器的工作流程图；

图8为所述矢量信号分析器建立过程的流程图；

图9为所述矢量信号分析器的原理框图；

图10为所述A/D转换器的工作流程图；

图11为所述I/Q解调器的工作流程图；

图12为所述接收端滤波器的工作流程图；

图13为所述采样映射器的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

参见图2，本发明所述的一种对信号传输的比特错误率进行分析的方法300，其通过LabVIEW语言实现，包括以下步骤：

301、建立包括基带数字信号发生器、脉冲成形滤波器、I/Q调制器及D/A转换器的矢量信号发生器，用以输出已调制的模拟基带信号；

302、使所述矢量信号发生器输出已调制的两种信号：一模拟噪音通道的带噪音信号和一无噪音信号；

303、建立包括A/D转换器、I/Q解调器、接收端滤波器及采样映射器的矢量信号分析器，接收所述矢量信号发生器输出的所述两种信号；

304、使所述矢量信号分析器解调所述两种信号，并利用比较器和计算器计算所述两种信号的差异并输出比特错误率。

下面介绍所述矢量信号发生器和矢量信号分析仪的建立方法：

参照图3，矢量信号发生器的建立过程100包括步骤101、102、103、104，其通过LabVIEW语言实现，通过所述过程100可以建立图4中的矢量信号发生器200，下面对这些步骤进行介绍：

101、建立基带数字信号发生器，用以产生基带符号并分离成I通道数据和Q通道数据输出。

建立基带数字信号发生器，使其生成随机二进制序列，将二进制序列映射为基带符号，将形成的基带符号进行能量控制，最后将基带符号分离成IQ调制中的I通道数据和Q通道数据并输出。

现代通信系统需要更大的信息吞吐量、更高的信号质量、更好的安全和数字信号兼容性。数字信号的优点是设计者可以对数字化的信号做任何的处理：可以在任意时间发送信号；可以与其他信息混合发送；可以使用各种数字调制机制来降低传输数据量、提高效率。在众多数字调制算法中，IQ正交调制是一种在不增加带宽的情况下提高有效传输速率且抗信号干扰的一种调制机制。

数字信号发生器生成随机的二进制数据、映射二进制比特为符号并把符号分离成IQ调制中的in-phase和quadrature分量。映射的方法根据不同的调制方法而有所不同，最直观的方法就是通过信号的星座图(constellation diagram)。星座图在二维的复平面上显示了不同调制方法所有可能的符号值。为了最小化传输过程中的突发错误，这里所有的符号映射都采用格雷编码(Gray Code)。基带调制后的符号在复平面上可以表示为

A_n和θ_n的值如表2-1所示：

表2-1调制符号表

调制方法	Sl	SQ
			BPSK	Ancosθn，θn＝0，π；An＝1	None

在实际实现过程中，考虑到调制后符号的能量控制，输出符号的幅值需要乘以一个控制常量D。这一个常量可以由不同调制算法的星座图中推导出来。对于PSK来说，平均符号能量E_s和Δ的关系经推导后得到：

E_s＝|Δ·e^-fθ|²＝Δ

参见图5，所述步骤101中基带数字信号发生器的工作步骤包括：

生成二进制序列；

通过星座图将二进制序列映射为基带符号；

将基带符号的幅值乘以一能量控制常量；

将经过能量控制的基带符号分离成IQ调制中的I通道数据和Q通道数据并输出。

102、建立脉冲成形滤波器，使其限制基带符号信号带宽并通过滤波器进行滤波。

建立脉冲成形滤波器，使其限制步骤101输出的I通道和Q通道的基带符号的信号带宽并通过满足内奎斯特条件的RC滤波器输出滤波后的信号。

脉冲成形滤波器作用于基带调制符号来限制信号的带宽。除此之外，它通过满足奈奎斯特准则，避免了符号间干扰(ISI)。满足奈奎斯特准则的脉冲成形滤波器又称为奈奎斯特滤波器。

RC滤波器在时域每个符号周期都有零交叉点，满足内奎斯特条件；在频域，低频段为单位增益，中频段升余弦频谱，高频段零增益可以有效控制信号的带宽。为了使得在抽样时刻信噪比最大，在实际应用中通常使用两个根升余弦(RRC)滤波器：一个作为发送端成形滤波器，一个在接收端形成匹配滤波，两者的总效果相当于单个RC滤波器，这样做既能够使得抽样时信噪比达到最高，又能够在一定的带限平坦信道中不引入码间干扰。

RRC滤波器的脉冲响应的定义如下：

$P_{\mathrm{rrc}}\left(t\right)=4\mathrm{\α}\frac{\cos [(1+\mathrm{\α})\mathrm{\πt}/T_s]+\sin [(1-\mathrm{\α})/T_s]{(4\mathrm{\αt}/T_s)}^{-1}}{\mathrm{\π}\sqrt{T_s}[1-16{\mathrm{\α}}^2{t}^2/{T_s}^2]}$

借助于LabVIEW的移位寄存器，发送端把P_rrc(t)在每个符号周期作用于调制过的基带信号，相当于在频域作用了一个根升余弦滤波器。

参见图6，所述步骤102中的脉冲成形滤波器的工作步骤包括：

获取基带符号流，同时建立一根升余弦滤波器和一移位寄存器；

在发送端通过所述根生余弦滤波器对基带符号进行成形滤波；

在接收端通过所述移位寄存器对基带符号进行匹配滤波。

103、建立I/Q调制器，使其将滤波后基带信号进行调制并输出。

建立I/Q调制器，使其将滤波后的I通道数据和Q通道数据通过相匹配的载波进行调制，并将调制后的信号与I/Q通道的信号经乘积调制并输出。

I/Q调制有两个目的：一是整合分离的in-phase和quadrature数据流以便提高频谱利用率；二是提升基带信号的频率到适合远距离传输的范围。两个通道的基带信号被两个正交的载波调制，即cos(2πf_ct)和sin(2πf_ct)，与I/Q通道的信号经乘积调制后的和为最后的输出信号。

参见图7，所述步骤103中的I/Q调制器的工作步骤包括：

将滤波后的I通道数据通过cos(2πf_ct)载波进行调制；

将滤波后的Q通道数据通过sin(2πf_ct)载波进行调制；

将上述两步骤调制后的数据与I/Q通道的信号经乘积调制并输出。

104、建立D/A转换器，使其将步骤103输出的数字调制信号转变为模拟信号并输出。

D/A转换器设计是为了实现D/A转换，把软件生成的I/Q调制信号转变成物理信号通过模拟信道传出去。物理信号的传送需要精准的时序控制和收发同步。这里使用了2个函数发生器：一个作为外部时钟源，另一个作为两个信号采集卡的起动触发器。DAQ板的参数如下表2.2所示：

表2.2

所述过程100还包括提供用户界面供用户设置相关参数的步骤，用户通过界面设置调制方法、每槽符号数、采样频率、载波频率等。

参见图4，建立的矢量信号发生器200，包括：

基带数字信号发生器201，用以生成随机二进制序列，将二进制序列映射为基带符号，将形成的基带符号进行能量控制，最后将基带符号分离成IQ调制中的I通道数据和Q通道数据输出；

脉冲成形滤波器202，连接所述基带数字信号发生器201的输出端，用以限制所述I通道和Q通道的基带符号的信号带宽并通过满足内奎斯特条件的RC滤波器输出滤波后的信号；

I/Q调制器203，连接所述脉冲成形滤波器202的输出端，用以将滤波后的I通道数据和Q通道数据通过相匹配的载波进行调制，并将调制后的信号与I/Q通道的信号经乘积调制并输出；

D/A转换器204，连接所述I/Q调制器203的输出端，用以将I/Q调制器203输出的数字调制信号转变为模拟信号并输出。

参照图8，矢量信号分析器的建立过程400包括步骤401、402、403、404，通过所述过程400可以建立图9中的矢量信号分析器500，下面对这些步骤进行介绍：

401、建立A/D转换器，使其接收模拟调制信号并将其转化为数字调制信号。

A/D转换器部分主要完成接收模拟信号的数字化采样以便在LabVIEW中进行分析。

参见图10，A/D转换器利用外部两个函数发生器，即采样时钟和开始触发器，分别连接两块采集卡的BNC-2150终端可编程接口PFI0和PFI6口。

402、建立I/Q解调器，使其将数字调制信号降频并分离为I通道数据和Q通道数据的解调信号。

建立I/Q解调器，使其将步骤401输出的数字调制信号降频并通过检波器将其分离为I通道数据和Q通道数据的解调信号。

I/Q解调器作用与I/Q调制器相反。它将接收信号降频，把信号分离为in-phase和quadrature部分。接收到的调制信号s(t)需经过两个相干的检波器：in-phase检波器A′_ccos(2πf_ct)，quadrature检波器A′_csin(2πf_ct)。需要注意的是，检波器的频率和相位必须和发射器端的载波保持一致。检波器的输出可用数学表示为：

$S\left(t\right)A_c^{\′}\cos \left({2\mathrm{\πf}}_{c}t\right)=A_c{A}_c^{\′}{S}_l\left(t\right){\cos }^2\left({2\mathrm{\πf}}_{c}t\right)+A_c{A}_c^{\′}{S}_Q\left(t\right)\sin \left(2{\mathrm{\πf}}_{c}t\right)\cos \left({2\mathrm{\πf}}_{c}t\right)$

$=\frac{1}{2}{A}_c{A}_c^{\′}{S}_l\left(t\right)+\frac{1}{2}{A}_c{A}_c^{\′}{S}_l\left(t\right)\cos \left({4\mathrm{\πf}}_{c}t\right)+\frac{1}{2}{A}_c{A}_c^{\′}{S}_Q\left(t\right)\sin \left({4\mathrm{\πf}}_{c}t\right)$

$S\left(t\right)A_c^{\′}\sin \left({2\mathrm{\πf}}_{c}t\right)=A_c{A}_c^{\′}{S}_l\left(t\right)\cos \left({2\mathrm{\πf}}_{c}t\right)\sin \left({2\mathrm{\πf}}_{c}t\right)+A_c{A}_c^{\′}{S}_Q\left(t\right){\sin }^2\left({2\mathrm{\πf}}_{c}t\right)$

$=\frac{1}{2}{A}_c{A}_c^{\′}{S}_l\left(t\right)\sin \left({4\mathrm{\πf}}_{c}t\right)+\frac{1}{2}{A}_c{A}_c^{\′}{S}_Q\left(t\right)-\frac{1}{2}{A}_c{A}_c^{\′}{S}_Q\left(t\right)\cos \left({4\mathrm{\πf}}_{c}t\right)$

从结果可以看出，输出的信号包含高频部分和低频部分，需要一个低通滤波器来得到所需的含有数据信息的低频部分信号。

参见图11，所述步骤402中的I/Q解调器的工作步骤包括：

获取数字调制信号并建立两个相干检波器A′_ccos(2πf_ct)和A′_csin(2πf_ct)；

通过所述检波器A′_ccos(2πf_ct)对调制信号进行检波并分离输出I通道数据；

通过所述检波器A′_csin(2πf_ct)对调制信号进行检波并分离输出Q通道数据；

建立一低通滤波器，使其对所述分离输出的I通道数据和Q通道数据进行低通滤波并输出低频信号。

403、建立接收端滤波器，使其将解调信号与截取的根升余弦滤波器执行卷积操作并输出滤波后的基带信号。

参见图12，在接收器端要有一个RRC滤波器使得总共的频率响应满足奈奎斯特准则。由数学定律知，在时域进行卷积相当于在频域进行乘法运算。因此，在LabVIEW中，解调后的基带信号和截取的RRC频率响应执行卷积操作。

404、建立采样映射器，使其从滤波后的基带信号中采样基带符号，并将采样到的基带符号映射到星座图上绘制图像并进行分析。

建立采样映射器，使其从步骤403输出的滤波后的基带信号中采样基带符号，并根据相应的调制算法将采样到的基带符号映射到星座图上绘制图像并进行分析。

采样的目的是把符号从滤波后的基带信号萃取出来，采样频率和符号速率一样，都是1/Ts。其关键点是如何找准采样点，第k个采样距离应该满足(6+i)T_s，i＝0，1，2，...(过密采样不在本项目的考虑范围内)。因为LabVIEW不能表示连续时间信号，所有的时续信号是以离散的采样点表示，时间分辨率T_res应远远小于T_s或者时间解析速率R_res远远大于采样速率R_s。因此在LabVIEW中进行采样操作的时候需要计算离散样本的索引值。一个符号周期内的离散点的数目由R_res和R_s决定。第n个符号的位置l′_n可以写成：

$l_n=6\×\frac{R_{\mathrm{res}}}{R_s}+i\×\frac{R_{\mathrm{res}}}{R_s},i=\mathrm{0,1,2},.....$

除此之外，为了最后绘出标准化星座图，每个采样的符号还要除以平均的符号能量。最后，符号根据不同调制算法映射到星座图上绘制图像。

参见图13，所述采样映射器的工作步骤包括：

计算I通道和Q通道中数据符号的位置Ln；

获取Ln对应的基带符号；

根据相应的调制算法将获取的基带符号映射到星座图上绘制图像并进行分析。

所述过程400还包括提供矢量信号分析界面供用户设置相关参数的步骤，用户可以设置A/D转换的采样速率，载波频率，选择物理接收频道等。

参见图9，建立的矢量信号分析器500包括：

A/D转换器501，用以接收模拟调制信号并将其转化为数字调制信号。作为一实施例，所述A/D转换器501包括通过外部的采样时钟和开始触发器连接采集卡的可编程接口以进行数字化采样的模块。

I/Q解调器502，连接所述A/D转换器501输出端，用以将接收到的数字调制信号降频并通过检波器将其分离为I通道数据和Q通道数据的解调信号；

接收端滤波器503，连接所述I/Q解调器502，用以将接收到的解调信号与截取的根升余弦滤波器执行卷积操作并输出滤波后的基带信号；

采样映射器504，连接所述接收端滤波器503，用以从接收到的滤波后的基带信号中采样基带符号，并根据相应的调制算法将采样到的基带符号映射到星座图上绘制图像并进行分析。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种对信号传输的比特错误率进行分析的方法，其通过LabVIEW语言实现，其特征在于，包括以下步骤：

1.1、建立包括基带数字信号发生器、脉冲成形滤波器、I/Q调制器及D/A转换器的矢量信号发生器，用以输出已调制的模拟基带信号；

1.2、使所述矢量信号发生器输出已调制的两种信号：一模拟噪音通道的带噪音信号和一无噪音信号；

1.3、建立包括A/D转换器、I/Q解调器、接收端滤波器及采样映射器的矢量信号分析器，接收所述矢量信号发生器输出的所述两种信号；

1.4、使所述矢量信号分析器解调所述两种信号，并利用比较器和计算器计算所述两种信号的差异并输出比特错误率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1.1中基带数字信号发生器的工作步骤包括：

生成二进制序列；

通过星座图将二进制序列映射为基带符号；

将基带符号的幅值乘以一能量控制常量；

将经过能量控制的基带符号分离成IQ调制中的I通道数据和Q通道数据并输出。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1.1中的脉冲成形滤波器的工作步骤包括：

获取基带符号流，同时建立一根升余弦滤波器和一移位寄存器；

在发送端通过所述根生余弦滤波器对基带符号进行成形滤波；

在接收端通过所述移位寄存器对基带符号进行匹配滤波。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤1.1中的I/Q调制器的工作步骤包括：

将滤波后的I通道数据通过cos(2πf_ct)载波进行调制；

将滤波后的Q通道数据通过sin(2πf_ct)载波进行调制；

将上述两步骤调制后的数据与I/Q通道的信号经乘积调制并输出。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤1.3中A/D转换器通过外部的采样时钟和开始触发器连接采集卡的可编程接口以进行数字化采样。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤1.3中的I/Q解调器的工作步骤包括：

获取数字调制信号并建立两个相干检波器A′_ccos(2πf_ct)和A′_csin(2πf_ct)；

通过所述检波器A′_ccos(2πf_ct)对调制信号进行检波并分离输出I通道数据；

通过所述检波器A′_csin(2πf_ct)对调制信号进行检波并分离输出Q通道数据；

建立一低通滤波器，使其对所述分离输出的I通道数据和Q通道数据进行低通滤波并输出低频信号。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤1.3中的采样映射器的工作步骤包括：

计算I通道和Q通道中数据符号的位置Ln；

获取Ln对应的基带符号；

根据相应的调制算法将获取的基带符号映射到星座图上绘制图像并进行分析。

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