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第6章 数字频带传输:BPSK误码率验证

调整每比特信噪比,观察误码率随Eb/N₀的瀑布式下降。
增加符号数使仿真BER逼近理论值(大数定律)。
正在仿真...

💡 BPSK理论与误码率公式

二进制相移键控 (BPSK) 是最基本的数字调制方式。BPSK信号在一个码元周期 $T_b$ 内传输一个比特:

$$s_1(t)=\sqrt{\frac{2E_b}{T_b}}\cos(2\pi f_c t),\quad s_2(t)=-\sqrt{\frac{2E_b}{T_b}}\cos(2\pi f_c t)$$

信号空间中,BPSK是一维星座:$s_1 = +\sqrt{E_b}$,$s_2 = -\sqrt{E_b}$。欧氏距离 $d=2\sqrt{E_b}$。

AWGN信道下BPSK的比特误码率 (BER):

$$P_b = Q\left(\sqrt{\frac{2E_b}{N_0}}\right) = \frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\sqrt{\frac{E_b}{N_0}}\right)$$

Q函数定义:$$Q(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_x^\infty e^{-t^2/2}dt = \frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\frac{x}{\sqrt{2}}\right)$$

判决规则:接收信号 $r = \pm\sqrt{E_b} + n$,$n\sim\mathcal{N}(0,N_0/2)$。若 $r>0$ 判为 $s_1$ (比特1),否则判为 $s_2$ (比特0)。

⚙️ BPSK工程应用

  • GPS全球定位系统:GPS L1 C/A码使用BPSK调制,通过扩频码实现抗干扰和高精度测距。BPSK的恒定包络特性有利于卫星功率放大器的效率。
  • 802.11b WiFi (1-2 Mbps模式):早期的WiFi标准在最低速率模式下采用DBPSK(差分BPSK),以最稳健的方式保证基本连接。
  • DVB-S2卫星通信:在极端恶劣天气条件下,卫星广播系统回退到BPSK调制以确保信号不中断。BPSK是频谱效率最低但功率效率最高的调制方式。
  • 深空通信:NASA的深空网络在探测器距离地球数十亿公里时使用BPSK。此时信号极其微弱(Eb/N₀ < 3 dB),BPSK是唯一能维持通信的选择。
  • 3 dB优势 vs QPSK的代价:BPSK每符号传1比特,QPSK每符号传2比特(2倍频谱效率);但在相同Eb/N₀下两者BER相同。这意味着BPSK需要2倍带宽来传输相同数据率。