基于虛擬儀器的2DPSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

白國(guó)花 王文璽

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051；2.中北大學(xué)新緣科技中心，太原 030051）

0 引言

眾所周知，現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。數(shù)字通信技術(shù)采用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行加密和差錯(cuò)控制，便于集成，因此數(shù)字通信具有模擬通信不可比擬的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字基帶信號(hào)未經(jīng)調(diào)制是很難有效地進(jìn)行無(wú)線傳輸或者遠(yuǎn)距離的有線傳輸?shù)?。必須將?shù)字信號(hào)首先進(jìn)行頻譜變化，使之適合信道傳輸，之后，在接收端將變換后的信號(hào)進(jìn)行還原。這種使數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜進(jìn)行變換的過(guò)程稱為數(shù)字調(diào)制。而在接收端將調(diào)制后的信號(hào)還原為數(shù)字基帶信號(hào)的過(guò)程稱為數(shù)字解調(diào)[1]。

在數(shù)字通信系統(tǒng)中,常用的數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)主要有幅移鍵控ASK（amplitude shift keying）、頻移鍵控FSK（frequency shift keying）、相移鍵控PSK(phase shift keying)等，還有改進(jìn)型的和復(fù)合的數(shù)字調(diào)制方式（QAM,MQAM,QPSK等）[2]。在接收端可以采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)方式恢復(fù)原始信號(hào)。本論文主要研究二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）調(diào)制法和差分相干解調(diào)法。并用虛擬儀器軟件Labview8.0設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的2DPSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)模塊。

1 開發(fā)環(huán)境介紹

這里用虛擬儀器軟件Labview8.0。虛擬儀器（virtual instrument）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。使用較為廣泛的開發(fā)虛擬儀器的語(yǔ)言，是美國(guó)NI公司的LabVIEW。LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。它是圖形化的程序語(yǔ)言，又稱為“G”語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是框圖或流程圖。它盡可能利用了研究人員所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具。所有的LabVIEW 應(yīng)用程序，即虛擬儀器（VI），它包括前面板（front panel）、框圖（block diagram）以及圖標(biāo) /連結(jié)器(icon/connector)三部分。VI 具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個(gè)VI 可以作為子程序， 稱為子VI（subVI），可被其他VI 調(diào)用。在LabVIEW 的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的選項(xiàng)板，即操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函數(shù)（Functions）模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征[3]。工具模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI 程序的工具?？刂颇０逵脕?lái)給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對(duì)象和輸入控制對(duì)象。每個(gè)圖標(biāo)代表一類子模板。注意：只有打開前面板時(shí)才能調(diào)用該模板。功能模板是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。注意：只有打開了框圖程序窗口，才能出現(xiàn)功能模板。

2 2DPSK的調(diào)制解調(diào)的基本原理

由于傳輸失真，傳輸損耗以及保證帶內(nèi)特性的原因，基帶信號(hào)不適合在各種信道上進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。為了進(jìn)行長(zhǎng)途傳輸，必須對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制，將信號(hào)頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。因此，大部分現(xiàn)代通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)。數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波的某些參數(shù)進(jìn)行控制，使載波的這些參量隨基帶信號(hào)的變化而變化。

數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制一樣，都可以用正弦高頻信號(hào)作為載波的。它們都可以用基帶信號(hào)控制載波的三個(gè)基本參量（幅度、相位、頻率）使之隨基帶信號(hào)而變。數(shù)字調(diào)制方式從原理上可以分為振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）三種。數(shù)字信號(hào)對(duì)載波相位的調(diào)制，就叫相移鍵控。二進(jìn)制相移鍵控就是用同一個(gè)載波的兩種不同相位來(lái)代表數(shù)字信號(hào)。相移鍵控分為絕對(duì)相移和相對(duì)相移（即差分相移）。二進(jìn)制的絕對(duì)相移記為2PSK，而差分相移記為2DPSK[4]。由于相移鍵控的抗噪聲性能優(yōu)于幅移鍵控和頻移鍵控，且頻帶利用率較高，誤碼率較低。從可靠性和有效性角度來(lái)看，PSK是這幾種調(diào)制方式中最優(yōu)越的調(diào)制方式。因而在現(xiàn)代數(shù)字通信中，PSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

但是由于2PSK信號(hào)在解調(diào)過(guò)程中有可能出現(xiàn)“相位模糊”或“倒相”問(wèn)題。例如，當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180°倒相時(shí)，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好相反，解調(diào)器輸出的基帶信號(hào)全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象通常稱為“倒∏”現(xiàn)象。所以2PSK信號(hào)的相干解調(diào)存在隨機(jī)的“倒∏”現(xiàn)象，從而使得2PSK方式在實(shí)際中很少采用。因此，為了解決2PSK信號(hào)解調(diào)過(guò)程的反向工作問(wèn)題，人們提出了二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)2DPSK信號(hào)在存儲(chǔ)傳輸過(guò)程中的調(diào)制解調(diào)。

二進(jìn)制相對(duì)相移鍵控（2DPSK）是利用相鄰碼元載波相位的相對(duì)變化來(lái)表示數(shù)字信號(hào)的“1”碼和“0”碼，這時(shí)載波信號(hào)的相位與數(shù)字信號(hào)的“1”碼和“0”碼之間沒(méi)有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[5]。二進(jìn)制差分相移鍵控2DPSK，其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：定波形形狀的二進(jìn)制序列（二元基帶信號(hào)），an=±1，Ts指時(shí)間間隔，g(t)是調(diào)制信號(hào)的時(shí)間波形[6]。

由于2PSK在調(diào)制解調(diào)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)0、∏相位模糊度問(wèn)題，使得解調(diào)出來(lái)的二進(jìn)制信號(hào)可能1和0倒置，極性完全相反，為了克服“相位模糊度”對(duì)于相干解調(diào)的影響，最常用的方法就是對(duì)調(diào)制輸入的數(shù)字基帶信號(hào)（即絕對(duì)碼）進(jìn)行差分編碼，即把絕對(duì)碼變換為相對(duì)碼（差分碼），再對(duì)相對(duì)碼進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相即得到2DPSK信號(hào)?；鶐盘?hào)的差分編碼過(guò)程，按照遇1跳變，遇0保持的編碼規(guī)則進(jìn)行。然后，對(duì)經(jīng)過(guò)差分編碼的相對(duì)碼序列進(jìn)行PSK絕對(duì)調(diào)相，具體過(guò)程是：其中一路直接與本地載波相乘得到調(diào)制信號(hào)e，另一路相對(duì)碼經(jīng)過(guò)取反、上移等過(guò)程得到相對(duì)碼的反碼序列b，其與倒相的本地載波經(jīng)過(guò)相乘器得到調(diào)制序列f，最后將序列e和f相加，即可得到二進(jìn)制絕對(duì)序列的2DPSK調(diào)制信號(hào)。以上過(guò)程見圖1紅線左側(cè)部分。

數(shù)字解調(diào)是數(shù)字調(diào)制的逆變換。解調(diào)的方法必須與調(diào)制方式相適應(yīng)。凡是涉及相位的解調(diào)，必須采用相干或差分相干解調(diào)，而振幅調(diào)制與頻率調(diào)制可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)。無(wú)論哪一種調(diào)制方式，采用相干解調(diào)的性能優(yōu)于非相干解調(diào)的性能[7]。2DPSK信號(hào)的解調(diào)方法主要有兩種：相干解調(diào)法和差分相干解調(diào)方法。如果采用相干解調(diào)法，這時(shí)抽樣判決器輸出的是相對(duì)碼，必須再經(jīng)過(guò)差分解碼把相對(duì)碼轉(zhuǎn)化為絕對(duì)碼。而差分相干解調(diào)法，在抗頻漂、抗相位慢抖動(dòng)等方面均優(yōu)于相干解調(diào)法，而且抽樣判決器輸出的就是絕對(duì)碼，即原始的二進(jìn)制信息。因此，實(shí)際中經(jīng)常使用的是解調(diào)方式是差分相干解調(diào)法。差分相干解調(diào)算法又稱為相位比較法解調(diào)，這種方法不需要恢復(fù)本地載波，通過(guò)比較前后碼元的載波相位來(lái)完成解調(diào)，即用前一碼元的載波相位作為解調(diào)后一碼元的參考相位，解調(diào)器的輸出就是所需的絕對(duì)碼。

2DPSK解調(diào)的關(guān)鍵點(diǎn)是同步檢波所需要的載波是由2DPSK信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的延時(shí)得到的。具體過(guò)程如圖1紅線右側(cè)部分：將帶通濾波后的2DPSK信號(hào)延時(shí)Ts后，與未延時(shí)的2DPSK信號(hào)相乘，相乘的結(jié)果即反映了前后碼元的相對(duì)相位關(guān)系，再經(jīng)低通濾波后直接進(jìn)行抽樣判決，即可恢復(fù)出原始的二進(jìn)制序列。這種方法減少了錯(cuò)判和工作量，故是一種實(shí)用的方法。

3 2DPSK調(diào)制解調(diào)模塊的分析和設(shè)計(jì)

3.1 2DPSK調(diào)制解調(diào)模塊的分析

本論文中，假定輸入的原始二進(jìn)制碼序列是1001110100，調(diào)制解調(diào)的分析過(guò)程見圖2。a圖為二進(jìn)制原始信號(hào)，即絕對(duì)碼二進(jìn)制序列；b圖為絕對(duì)碼差分編碼后的相對(duì)碼二進(jìn)制序列1110100111；c圖為正弦載波信號(hào)；d圖為倒相的載波信號(hào)；e圖為載波和相對(duì)碼相乘的結(jié)果信號(hào)；f圖為倒相的載波和反相的相對(duì)碼相乘的結(jié)果信號(hào)；g圖為e和f兩圖信號(hào)相加的結(jié)果信號(hào)，即調(diào)制好的2DPSK信號(hào)；h圖為g圖信號(hào)的延時(shí)后的信號(hào)；i圖為2DPSK信號(hào)和延時(shí)后的2DPSK信號(hào)相乘的結(jié)果信號(hào)；k圖為i圖信號(hào)低通濾波后的信號(hào)；m圖為解調(diào)后的二進(jìn)制原始信號(hào)，即絕對(duì)碼信號(hào)1001110100。

圖2 原始二進(jìn)制碼1001110100調(diào)制解調(diào)的分析過(guò)程圖

解調(diào)原理是以調(diào)相時(shí)的規(guī)律為依據(jù)的，若2DPSK信號(hào)與前鄰碼反相，相乘器輸出為負(fù)值，經(jīng)抽樣判決后輸出為“1”碼；若同相，相乘器輸出為正值，經(jīng)判決后輸出為“0”碼。

3.2 2DPSK調(diào)制解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)

3.2.1 調(diào)制解調(diào)模塊框圖程序的設(shè)計(jì)

2DPSK信號(hào)調(diào)制解調(diào)模塊總的框圖程序如圖3所示：

編程過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的幾個(gè)問(wèn)題：

圖1 2DPSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程（a～m為信號(hào)過(guò)程，注意幾處信號(hào)：a點(diǎn)為二進(jìn)制相對(duì)碼信號(hào)；b點(diǎn)為相對(duì)碼反相信號(hào)；c點(diǎn)為載波信號(hào)；d點(diǎn)為載波倒相信號(hào)；g點(diǎn)為2DPSK信號(hào)，即待解調(diào)的信號(hào)；m點(diǎn)為解調(diào)后的原始信號(hào).）

圖3 2DPSK信號(hào)調(diào)制解調(diào)模塊總框圖

3.2.1.1 數(shù)字濾波器的選用

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其他頻率成分。在測(cè)試裝置中，利用濾波器的這種選頻特性，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。同理，在Labview中，可以用其庫(kù)函數(shù)中的濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪或提取特定頻率信號(hào)。按信號(hào)的性質(zhì)來(lái)分，有模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩大類，在虛擬儀器中使用數(shù)字濾波器。其中，數(shù)字濾波器又分為有限沖擊響應(yīng)濾波器和無(wú)限沖擊響應(yīng)濾波器，前者有較平坦的幅頻特性，而后者可以實(shí)現(xiàn)相位不失真。工程上常用的有巴特沃茲(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、貝塞爾(Bessel)等數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器以數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)離散化信號(hào)的處理，與模擬濾波器相比，具有精度高、穩(wěn)定性好、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

這里選用巴特沃茲(Butterworth)數(shù)字濾波器，注意它的參數(shù)設(shè)置。濾波器類型指定濾波器是高通、低通、帶阻還是帶通?！?”為低通，“1”為高通，“2”為帶通，“3”為帶阻。hf 是高截止頻率，以Hz為單位。如濾波器類型為0 (lowpass)或1 (highpass)，VI可忽略該參數(shù)；濾波器類型為2 (Bandpass)或3 (Bandstop)時(shí)，高截止頻率 fh必須大于低截止頻率 fl。低截止頻率 fl必須滿足奈奎斯特準(zhǔn)則0 ≤ fl＜ 0 .5fs，其中 fs為采樣頻率。這里，編程中選用了“帶通”和”“低通”類型的Butterworth數(shù)字濾波器。

3.2.2.2 模塊化編程和數(shù)據(jù)流編程思想

模塊化編程和數(shù)據(jù)流編程是虛擬儀器編程的主要思想和特點(diǎn)。模塊化編程思想：將給定的任務(wù)劃分成一系列較簡(jiǎn)單的任務(wù)，然后構(gòu)建虛擬儀器來(lái)完成各個(gè)子任務(wù)，將生成的子任務(wù)（稱為子VI）組裝到頂層框圖中以組成完整的程序。模塊化的意思是：可獨(dú)立的執(zhí)行每一個(gè)子VI，因而易于調(diào)試和驗(yàn)證。數(shù)據(jù)流編程：由可執(zhí)行節(jié)點(diǎn)組成的編程系統(tǒng)。這些節(jié)點(diǎn)僅當(dāng)它們接收到所有必需的輸入數(shù)據(jù)后才執(zhí)行，并且當(dāng)它們執(zhí)行完成后自動(dòng)地產(chǎn)生輸出（或數(shù)據(jù)才流出節(jié)點(diǎn))。數(shù)據(jù)流的概念與常規(guī)程序執(zhí)行時(shí)的控制流方法完全不同。傳統(tǒng)的順序代碼是指令驅(qū)動(dòng)的，而VI的數(shù)據(jù)流則是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的?；蛘哒f(shuō)，程序的執(zhí)行是由數(shù)據(jù)流控制的，而不是按照代碼行的順序線性執(zhí)行。

3.2.2.3 Express VI的應(yīng)用

Express VI的思想:通過(guò)對(duì)話框進(jìn)行交互式操作來(lái)快速配置VI，而不是通過(guò)重新配置子VI框圖中的代碼來(lái)配置VI。故可快速構(gòu)建完成公共測(cè)量任務(wù)。工作方式是，采用對(duì)話框配置實(shí)現(xiàn)，因此它是所需連線最少的節(jié)點(diǎn)。它為Functions選項(xiàng)板中藍(lán)色背景的可擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)。注意，編程過(guò)程中：①優(yōu)先使用；②Express VI處理的數(shù)據(jù)類型為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類型。這里采用了simulate signal 的Express VI，產(chǎn)生載波正弦信號(hào)。

3.2.2.4 MathScript技術(shù)的應(yīng)用

MathScript是一種高級(jí)編程語(yǔ)言，它是LabView的一項(xiàng)新特性。MathScript將面向數(shù)學(xué)的文本編程加入到LabView中。有兩種MathScript實(shí)現(xiàn)方法： MathScript交互式窗口和MathScript節(jié)點(diǎn)?？稍谟⑽陌鍸abView8.0中實(shí)現(xiàn)，目前在中文版的LabView軟件中，此功能不能用。有了MathScript，在LabView環(huán)境中，可以選擇文本編程方法（通過(guò)命令提示和腳本）、圖形編程方法（通過(guò)VI ),或者兩種方法相結(jié)合（通過(guò)VI中的MathScript節(jié)點(diǎn))，開發(fā)者可根據(jù)需要自選高效的方法。同時(shí)，注意，MathScript不需要第三方軟件來(lái)編譯和執(zhí)行，即不需要電腦上同時(shí)裝matlab軟件。這里，可以用MathScript模擬產(chǎn)生原始二進(jìn)制信號(hào)。

圖4 原始二進(jìn)制信號(hào)1001110100的調(diào)制解調(diào)仿真圖

3.2.2.5 子Vi的使用

子VI（SubVI）相當(dāng)于普通編程語(yǔ)言中的子程序，也就是被其他的 VI 調(diào)用的VI?？梢詫⑷魏我粋€(gè)定義了圖標(biāo)和連接器的 VI作為另一個(gè) VI 的子程序。構(gòu)造一個(gè)子VI 主要的工作就是定義它的圖標(biāo)和連接器。圖標(biāo)：每個(gè)VI都有一個(gè)默認(rèn)圖標(biāo)，顯示在前面板和框圖窗口的右上角。在調(diào)用VI的框圖中，子VI就是用圖標(biāo)表示。連接器是與VI控件和指示器對(duì)應(yīng)的一組端子。連接器是為VI建立的輸入和輸出口，這樣VI就可以作為子VI使用了，這樣就可以和頂層VI交換數(shù)據(jù)了。連接器從輸入端子接收數(shù)據(jù)，并在VI執(zhí)行完成時(shí)將數(shù)據(jù)傳送到輸出端子。有兩種基本方法可以創(chuàng)建和使用子VI ：由VI創(chuàng)建子VI和選定內(nèi)容創(chuàng)建子VI。⑴由VI創(chuàng)建子VI：具體操作：在流程圖中打開Functions?Select a VI…. ，就可以選擇要調(diào)用的子VI。⑵選定內(nèi)容創(chuàng)建子VI：具體操作：在框圖中選中一部分，從Edit菜單中選擇Create SubVI，一個(gè)默認(rèn)子VI圖標(biāo)將代替所選對(duì)象組[8]。使用這種選擇方法創(chuàng)建子VI可將VI模塊化。這里，在總框圖程序中調(diào)用了差分編碼，反相編碼，倒相編碼子函數(shù)SubVI，實(shí)現(xiàn)了模塊化編程。

3.2.2.6 While 循環(huán)的應(yīng)用

While 循環(huán)可以反復(fù)執(zhí)行循環(huán)體的程序，直至到達(dá)停止的條件。While 循環(huán)的框圖是一個(gè)大小可變的方框，用于執(zhí)行框中的程序，直到條件端子接收到的布爾值為 FALSE。 While循環(huán)有兩個(gè)端子：條件端子（輸入端子）和重復(fù)端子（輸出端子）。條件端子輸入的是布爾變量，它用于判斷循環(huán)在什么條件下停止執(zhí)行。它有兩種使用狀態(tài)：Stop if True和Continue if True .重復(fù)端子i為當(dāng)前循環(huán)的次數(shù)。在編制任何一個(gè)虛擬儀器程序時(shí)，While 循環(huán)總要被用到，因?yàn)槟撤N操作總要從開始執(zhí)行到停止下來(lái)。

3.2.2 調(diào)制解調(diào)模塊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2DPSK信號(hào)調(diào)制解調(diào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如前面板所示，圖4中，（a）圖為載波正弦信號(hào)（白色波形）和原始二進(jìn)制信號(hào)1001110100，即絕對(duì)碼信號(hào)（紅色波形）；（b）圖為絕對(duì)碼信號(hào)（紅色波形）和相對(duì)碼信號(hào)（白色波形）；(c)圖為解調(diào)好的原始二進(jìn)制絕對(duì)碼信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了3.1節(jié)中2DPSK信號(hào)調(diào)制解調(diào)的理論推導(dǎo)結(jié)果。故該設(shè)計(jì)系統(tǒng)能完成數(shù)字信號(hào)的調(diào)制解調(diào)功能，即基帶信號(hào)的頻帶傳輸功能。

4 結(jié)論

數(shù)字調(diào)制解調(diào)作為數(shù)字通信系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)它的分析與研究越來(lái)越重要。本論文重點(diǎn)研究了二進(jìn)制差分相移鍵控2DPSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程。通過(guò)對(duì)調(diào)制解調(diào)模塊的仿真，可以直觀的了解到，數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的性能及影響性能的因素，從而便于改進(jìn)。在以后的研究中，繼續(xù)追隨最新技術(shù)，比如，采用新的多用途可編程數(shù)字信號(hào)處理器、嵌入式的軟件實(shí)現(xiàn)方法等新技術(shù)，改進(jìn)和提高數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊的性能。

[1] 吳資玉.《通信原理》[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008年，326頁(yè)

[2] 王琪.《通信原理》[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011年，243-249頁(yè)

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