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不同信道条件下BPSK调制方案的性能分析
摘要—有效率的能量传输一直是无线传感器网络的一个主要目标。 无线传感器网络消耗更多的功率，因为节点使用受限制的动力电池，从而缩短其使用寿命，这对于研究人员在工业自动化，环境监测和军事应用等多个领域开展工作具有广阔的前景。 错误控制方案的实现对于降低误码率（BER）是必不可少的。在这项工作中，我们的目标是通过使用不同的分析参数（比如误码率（BER），使用的能量），不同的方案策略来评估BPSK和QPSK调制的性能分析。 本文分析了BER和SNR的值。 为了更好地分析不同的调制方案以改善群集传感器网络的使用寿命，本文可以进一步使用和修改。
关键词—有效节能，无线网络，BPSK，QPSK，AWGN，BER。
一、引言
无线通信是通信行业的新兴趋势。因此，手机成为美国，英国等大多数发达国家重要的业务设备和日常生活的一部分。在信号发送到空中接口之前，信号将通过调制器。调制是以适合于传输的方式对来自信息源的信息进行编码的过程。有两种类型的调制，即模拟调制和数字调制。调幅（AM），调频（FM）和相位调制属于模拟调制。数字调制有正交相移键控（QPSK），最小频移键控（MSK），频移键控（FSK），正交幅度调制（QAM）等。因此，本文通过在MATLAB软件中执行的不同的计算机仿真来提高编码和未编码系统的GMSK调制性能，以促进无线传感器的整体节能。
二、相关工作
Manish Bhardwaj等人（2002年）通过对越来越复杂的传感器网络的使用寿命实施上限，成功地限制了数据的高效协作收集。
Gopinath Balakrishnan等人（2007）通过随机生成的高斯信道发送数据，将不同误码控制码的性能分析和他们在不同平台上的BER性能和功耗联系起来。基于RS码，卷积码和BCH码这三种不同的误码控制码的数据输出和比较，说明了采用ASIC实现的二进制BCH码对于WSN更好。
Soltan和Pedram（2007）测试了一个具有移动网络问题的分级无线传感器网络，并且知道移动多跳路由方案，以优化网络寿命，延迟和本地存储容量。
Sanjeev Kumar等人（2011）研究了在数字通信中编码位流的Reed-Solomon码的性能。通过对对称AWGN信道中的BPSK调制方案进行性能评估，得出结论：通过降低码率和仿真结果可以最大限度地提高BER性能。M.Sheik Dawood还表明，对于较大的块长度，BER性能也得到了改善。
Sami H. O. Salih等人（2011）在无线技术中实现了自适应调制编码（AMC），以在长距离传输的同时创造更好的输出。对于WiMAX和BPSK，QPSK，带有里德所罗门码的16 QAM和64 QAM来说，实施的AMC功能是特征化的。无线传感器网络需要选择具有错误控制代码的调制，以实现收发器更好的能耗。
M.Sheik Dawood等人（2012）给出了MSK，QAM和BPSK等调制方案及其传输方法的实施，以改善带宽和能量效率，以承受无线传感器网络中各种故障以监测滑坡区域。总能量消耗包含传输能量和电路能量。调制方案根据收发器节点的能耗进行比较。该作者还分析了用于提高无线传感器网络中与能量和带宽有关的效率的适当的同质和异质调制方案。
Kun Yang 等人（2012）观察了中继网络的性能。调制技术BPSK，QPSK，16QAM，64QAM和卷积编码被用于实现更好的系统性能，其中两个源节点根据来自反馈信道的信息自适应地选择适当的调制方案和编码方案，以确保系统要求是基于系统的BLER的，并且还导出了闭式表达式来分析瑞利信道上的系统性能，其中包括平均频谱效率和平均BLER。
M.Sheik Dawood，R. Aiswaryalakshmi和G. Athisha（2013）分析了无线传感器网络基站控制动态集群协议体系结构中带错误控制码的MSK调制的性能。
Nitha V Panicker和Sukesh Kumar A（2014）分析了AWGN的最小BER和Rayleigh和Ricean信道的最大BER。在AWGN信道中，瑞利衰落信道和Rician信道OQPSK和BPSK的性能优于所有其他的数字调制方案。
三、不同衰落信道模型的概述
a) 加性高斯白噪声（AWGN）
在通信中，AWGN信道模型具有单一损伤信息，该损伤是具有恒定频谱密度的宽带或白噪声的线性相加，除了具有振幅的高斯分布以外，还以瓦每赫兹带宽表示。 该模型没有考虑干扰，衰落，非线性，频率选择性或色散等现象。 它不会受到衰落的影响，这意味着不必担心载波调制的电信号在某些传播介质上经历的失真。 然而，它产生了简单且易处理的数学模型，这对于在考虑其他现象之前深入了解底层行为有很大作用。 宽带高斯噪声来自于许多自然源，例如与天线有关的原子的热振动，或将其称为热噪声，散粒噪声和来自有温度物体和地球的黑体辐射。
b) 瑞利衰落
瑞利衰落是一种在环境中传播无线电信号的统计模型，就像无线设备使用的那样。 瑞利衰落模型假定信号的幅度将随机地变化，其通过这样的传输介质或衰落，根据瑞利分布，径向分量是两个不相关的高斯随机变量的总和。 瑞利衰落被认为是与对流层和电离层信号有关的更好的模型，也是与大型城市建成区环境对无线电信号的影响有关的更好的模型。 当发射机和接收机之间没有沿着视线的显著性传播时，它被应用。如果存在着显著的光线，则瑞利衰落可能更适用。
四、 数字调制方案的位错误概率
- 二进制相移键控：BPSK
在BPSK中，二进制信息处于对应于二进制0或1的载波的两个相移中，基本上载波信号取两个幅度电平。这两个幅度水平的符号可以概括为一个式子。其中Eb是比特能量，Tb是比特的持续时间，fc是载波频率。如果fc是1/Tb的整数倍，则相变将发生在载波信号的相同点处。BPSK方案的各个信号是S1（t）= -S2（t）。BPSK信号的归一化基函数由（2）式给出。BPSK信号的矢量系数由（3）、（4）式给出。
OFDM发射机架构使用正弦描述。通常，OFDM信号可以表示为（5）式。傅立叶变换通过将信号与一系列正弦曲线相乘来将信号分成不同的频率点。 FFT由（6）式表示，IFFT是由（7）式给出。
根据它们所取的系数和负号，FFT和IFFT的方程式不同。两个方程表示的内容相同。输入信号与一系列正弦函数相乘，并将它们分离成点。FFT和IFFT是双重的并且以相似的方式表现。IFFT和FFT模块是可以互换的。
OFDM系统由IFFT / FFT长度N，不同的调制技术（QPSK / BPSK / QAM），允许的数据速率等等来定义的。FFT / IFFT长度N定义了OFDM系统中存在的总子载波数量。举例来讲，对于N = 32的OFDM系统提供32个子载波。事实是，所有的子载波都不用于数据传输。有些子载波是为导频载波保留的，有些不用作保护带。OFDM系统不在非常靠近传输频带两端的子载波上传输数据。这些子载波被称为保护带。保护频带的子载波保留一些有助于减少带外辐射，这样对发射机前端滤波器的要求就变得轻松了些。保护频带子载波也被称为空子载波或虚拟子载波。
- 循环前缀在OFDM中的作用
考虑一个非理想信道h（t）ne;（t），这会导致延迟离散。由于脉冲重叠，每个子载波信道上的延迟色散是符号间干扰（ISI）。由于接收信号的非正交性，它也会导致载波间干扰（ICC）。循环前缀码被添加到每个OFDM符号，通过完全消除它们来减轻ISI和ICC的问题。
五、仿真结果
a）AWGN信道中的OFDM的误码率和Eb / N0
为了仿真OFDM系统，以下设计参数是必不可少的。让我们考虑IEEE 802.11标准规范中定义的OFDM系统参数。
对于BPSK调制，信道可以被这样建模，y是在BPSK接收机的输入处的接收信号而发送的调制信号是x，a是发射信号的信道的幅度比例因子，通常假定为单位。 而n是以零为平均值的AWGN随机变量。
b）瑞利信道上BPSK的EB/N0与误码率
瑞利平坦衰落现象和使用杨氏模型和克拉克模型的仿真分别在第5.7节和第5.8节中讨论。在瑞利衰落信道上的BPSK调制（具有相干检测）的性能（Eb / N0 Vs BER）与其在AWGN信道上的比较在本节中讨论。首先在瑞利衰落信道上分析BPSK的非相干检测，然后考虑相干检测。对于这两种情况，考虑简单的平稳衰落瑞利信道，在经过瑞利衰落之后，AWGN噪声也被添加到信号样本。
接收到的信号y可以表示为（8）式，这里，n是AWGN贡献的噪声，它以零为均值并且呈高斯分布，且有单位方差，h是遵循瑞利分布的复信道幅度比例因子。不考虑瑞利衰落的简单的AWGN信道的接收信号表示为y=x。单抽头复数瑞利衰落过程由两个方差为0.5的高斯随机变量产生。
- 非相干检测：
对于非相干检测，在接收机处信道冲激响应的知识是未知的。 考虑如上所述通过信道发送#39;x = / - a#39;的BPSK信号。在非相干检测方案中，由于接收信号y的相位在0和2之间均匀分布，无论x [m] = a还是x [m] = -a被传输，即使在没有噪声的情况下，这个信号方案都是完全失败的。因此，BPSK不适合检测非相干信号，尤其是在衰落环境中
- 相干检测
在相干检测中，我们需要关于信道冲激响应的充分的接收机知识。诸如导频传输等技术被用于在实现实际数据传输之前估计信道脉冲响应或信道幅度比例因子。让我们考虑在接收机处估计的信道幅度比例因子（#39;h#39;）是已知的并且是完美和准确的。发送的符号（#39;x#39;）可以从接收器（#39;y#39;）接收到的信号中借助下面给出的均衡过程获得。
除了比例因子1 / h，z仍然是AWGN噪声。现在x的检测可以以类似于AWGN信道中的检测的方式进行。
下面给出了瑞利衰落信道和AWGN上的BPSK调制的仿真和理论性能曲线（Eb / N0对BER）。
- 瑞利信道和AWGN上BPSK调制的Eb / N0与BER的关系
- AWGN上QPSK调制的BER与Eb / N0的关系
六、结论
在本文中，应用于无线收发器的BPSK和QPSK调制方案性能分析在AWGN和衰落（Rayleigh和Rician）信道条件下进行了理论评估。据观察，AWGN的BER最小，瑞利和瑞斯信道的BER最大。BPSK和QPSK在AWGN信道，瑞利衰落信道和瑞斯信道中展现最佳性能。它提供良好的BER性能，并具有生成简单和解调简单的优点。瑞利衰落被归纳为干涉效应，是因为当平面波信号到达接收器时，几次反射之间只有时间和距离上的微小差异。
用MATLAB仿真研究M进制相移键控调制与解调
摘要—本文介绍了一个用于研究M进制PSK发送和接收的用户友好程序。 该程序让用户设置M的值，并相应地执行M进制PSK过程，并显示发射和接收信号的散点图、星座图和眼图。 信噪比也针对调制信号进行计算。 MATLAB程序用于实现该程序。 然后将结果与理论结果进行比较。 该程序旨在以用户交互的方式来简化对PSK调制和解调的学习。
索引术语—眼图，M进制，PSK，Matlab，信噪比。
一、简介
相移键控（PSK）是全球无线电通信应用中常用的调制技术。 PSK调制的基本概念是改变每个二进制位的载波信号的相位。相移的程度取决于位的值。 M进制PSK中的#39;M#39;表示该特定PSK中相移的不同程度。 PSK也比FSK更有效率。因此它具有比ASK和FSK更好的抗噪声能力。然而，该系统的一个显着缺点是使用倍频器来使相位调制指数最大化。
等式（1）给出了相移#39;phi#39;的值。这取决于#39;theta#39;的值。方程（2）显示了#39;theta#39;与M的关系,从而表示M对最终相移#39;phi#39;的值的重要性。图1显示了M进制PSK的功率谱密度图。图2显示了M进制发射器的框图。 M的值越高，串行到并行转换所需的线数就越多。因此，系统的复杂性随着M值的增加而增加。图3显示了一个M进制接收器的框图。随着M的值增加，倍频器也增加，结果电路复杂度增加。
本文第二部分解释了我们用来执行我们的仿真项目的软件工具。这个仿真代码的工作算法在第三节中给出。我们获得的结果以及我们所解释的内容在第四节中借助图表很好地得到描述。第五节谈到了我们已经达成的共识，而且还讨论了未来的范围。
二、使用的软件
MATLAB
MATLAB用于模拟M进制发射和接收。 利用AWGN（加性高斯白噪声）模拟实际信道噪声，还可以将噪声添加到信道中。该程序中使用的一些重要函数是：
- rcosdesign 函数：filtCoeff = rcosdesign（rolloff，span，sps）返回系数，filtCoeff，相当于平方根升余弦FIR滤波器，其滚降系数由beta指定。 滤波器被截断以跨越符号，并且每个符号周期包含sps采样。过滤器的顺序sps * span必须是偶数。 滤波器能量为1。
- upfirdn函数：txSig = upfirdn（dataMod，filtCoeff，sps）执行三个操作的级联：
- 通过整数sps因子（插入零）在矩阵dataMod中上采样输入数据。
- 利用向量中给定的脉冲响应序列或矩阵filtCoeff sps对上采样的信号数据进行FIR滤波具有默认值1。
三、程序
对于一个成功的M进制PSK调制，必须适当地设置滤波器跨度，滚降因子和采样数/秒的值。采样数/秒总是被设置为一个偶数整数。如果它被设置的非常小，那么在散射图中不能正确检测到接收信号输出的理想值，如果它被设置的非常大，则误差随着接收
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