基于 LabVIEW 的 2PSK 系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉佳明

（南京信息工程大學(xué)，江蘇南京，210044）

0 引言

數(shù)字無(wú)線電又稱數(shù)字頻帶傳輸，其任務(wù)是在兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)之間，傳送經(jīng)過(guò)數(shù)字調(diào)制的模擬載波信號(hào)，是一種廣泛應(yīng)用的通信系統(tǒng)[1]。對(duì)數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)制的最基本方法有3種，分別通過(guò)改變載波的幅度、頻率和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一種是幅移鍵控調(diào)制，簡(jiǎn)稱ASK，它是通過(guò)改變載波的振幅大小來(lái)表示信號(hào)的；第二種是頻移鍵控調(diào)制，簡(jiǎn)稱FSK，它是通過(guò)改變載波的頻率快慢來(lái)表示信號(hào)的；第三種相移鍵控，簡(jiǎn)稱PSK，是通過(guò)改變載波的相位來(lái)表示信號(hào)的。本文中主要對(duì)二進(jìn)制信號(hào)的PSK，簡(jiǎn)稱2PSK的調(diào)制解調(diào)原理進(jìn)行驗(yàn)證。

本文通過(guò)LabVIEW實(shí)現(xiàn)對(duì)2PSK系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)觀察2PSK調(diào)制解調(diào)過(guò)程中不同階段對(duì)應(yīng)信號(hào)的波形，可以更好地理解2PSK的原理。

1 2PSK的調(diào)制解調(diào)原理

■ 1.1 2PSK的調(diào)制原理

2PSK是通過(guò)改變載波的絕對(duì)相位來(lái)傳遞數(shù)字信號(hào)的。在2PSK系統(tǒng)中，二進(jìn)制“0”可以設(shè)為0相位，也可設(shè)為Π相位，二進(jìn)制“1”也是如此。但是，通常情況下，二進(jìn)制“0”用初始相位0來(lái)表示，“1”用初始相位Π表示[3]。

由此， 2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

其中φn為第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位：

同樣，2PSK的時(shí)域表達(dá)式也可表示為：

2PSK信號(hào)的調(diào)制方法分為鍵控法和模擬調(diào)制法兩種。

■ 1.2 2PSK的解調(diào)原理

2PSK信號(hào)的解調(diào)通常采用相干解調(diào)法。首先將2PSK信號(hào)通過(guò)一個(gè)帶通濾波器，過(guò)濾掉沒(méi)有用的噪聲信號(hào)；再將通過(guò)帶通濾波器之后得到的信號(hào)與相干載波相乘，設(shè)“0”用初始相位0來(lái)表示，“1”用初始相位Π表示，則0對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為正，1對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為負(fù)；接著通過(guò)一個(gè)低通濾波器，使得信號(hào)中的高頻分量被轉(zhuǎn)換為低頻分量輸出，若2PSK解調(diào)中沒(méi)有了低通濾波器，一個(gè)高頻的信號(hào)在經(jīng)過(guò)抽樣判決器抽樣時(shí)，因?yàn)樗谝粋€(gè)碼元寬度內(nèi)，零點(diǎn)很多，所以很容易抽樣到0點(diǎn)附近的值造成結(jié)果的不準(zhǔn)確；最后進(jìn)入抽樣判決器，抽樣頻率與碼元速率一致，通過(guò)輸入定時(shí)脈沖的方式，做到位同步，利用閾值電壓是否大于零判別，得到最后的解調(diào)輸出信號(hào)。

2 2PSK系統(tǒng)的LabVIEW設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在構(gòu)建2PSK系統(tǒng)時(shí)，本文采用模擬調(diào)制法和相干解調(diào)法。設(shè)“0”用初始相位Π來(lái)表示，“1”用初始相位0來(lái)表示。仿真流程如下：首先產(chǎn)生一個(gè)與載波速率一致且能發(fā)送任意序列的輸入序列，通過(guò)對(duì)它的極性轉(zhuǎn)換產(chǎn)生負(fù)的輸入序列，再將兩個(gè)序列相加后得到雙極性序列。將雙極性序列與載波相乘后得到2PSK信號(hào)。本文中假設(shè)2PSK經(jīng)過(guò)的信道為理想信道，所以不必再加入帶通濾波器濾出噪聲，直接將得到的2PSK信號(hào)與相干載波相乘后經(jīng)過(guò)低通濾波器，將高頻分量轉(zhuǎn)換為低頻分量輸出，最后經(jīng)過(guò)抽樣判決器來(lái)還原基帶信號(hào)。抽樣判決器是通過(guò)for循環(huán)判斷每個(gè)碼元中間時(shí)刻的抽樣值是否大于0，來(lái)判斷每個(gè)碼元是0還是1來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

本文中運(yùn)用LabVIEW作為仿真軟件。LabVIEW是一個(gè)圖形化的軟件，利于理解。它通過(guò)編寫(xiě)程序流程圖，通過(guò)它們之間的連線關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)通信系統(tǒng)的仿真，易于理解和上手。在利用LabVIEW進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的時(shí)候，要善于應(yīng)用模塊化的思想，將一個(gè)復(fù)雜的仿真問(wèn)題劃分為若干子模塊進(jìn)行解決，最后再將它們整合起來(lái)。

■ 2.1 產(chǎn)生序列.vi的設(shè)計(jì)

由于LabVIEW自帶仿真信號(hào)中的方波只能發(fā)送周期的信號(hào)，即只能發(fā)送“0”和“1”交替的信號(hào)，不能發(fā)送類似于“0111001”的這種隨機(jī)序列，可是我們需要構(gòu)建出的系統(tǒng)要能發(fā)送任意序列。首先，在前面板中創(chuàng)建輸入序列、碼速率RS、采樣率Fs，3個(gè)數(shù)值輸入控件以及一個(gè)波形圖輸出控件，輸出輸入序列的波形。先通過(guò)數(shù)組大小控件判斷輸入數(shù)組的長(zhǎng)度，作為第一個(gè)for循環(huán)的循環(huán)次數(shù)，再利用索引數(shù)組控件判斷第i次循環(huán)時(shí)，在該數(shù)組相應(yīng)的i位置上的數(shù)為1還是0。因?yàn)樵诋a(chǎn)生輸入序列時(shí)，需要控制輸入序列產(chǎn)生的速度與載波的速度一致。所以，第二個(gè)for循環(huán)的目的是將數(shù)組按固定的速率輸出?？墒怯捎谳敵龅臄?shù)組為二維數(shù)組，所以此時(shí)需要利用事先完成的二維數(shù)組轉(zhuǎn)一維數(shù)組控件將輸出的二維數(shù)組轉(zhuǎn)成一維數(shù)組輸出，得到最后的輸入序列。

■ 2.2 2PSK系統(tǒng)調(diào)制部分設(shè)計(jì)

首先在前面板創(chuàng)建6個(gè)輸入控件，分別改變輸入序列、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣率、碼速率、初始相位、載頻。除此之外建立輸入序列波形、載波波形，2PSK波形、2PSK頻譜4個(gè)波形圖輸出控件和一個(gè)碼周期內(nèi)的點(diǎn)數(shù)，即碼元寬度數(shù)值輸出控件（由采樣率Fs/碼速率RS后取整得到）。先輸入采樣點(diǎn)數(shù)、采樣率、載頻以及初始相位等參數(shù)，利用正弦波產(chǎn)生器產(chǎn)生載波，規(guī)定載波的幅度為1，頻率為載頻/采樣率。因?yàn)檩d波與雙極性序列相乘后才能得到2PSK波形。所以，要對(duì)上面產(chǎn)生的序列進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)，即當(dāng)輸入為0時(shí)，變?yōu)?1，輸入為1時(shí)，變?yōu)?。再將輸入序列和極性反轉(zhuǎn)后的輸入序列相加后即得到雙極性序列，將雙極性序列與載波相乘后得到2PSK信號(hào)輸出，對(duì)其通過(guò)FFT頻譜控件進(jìn)行頻譜測(cè)量，輸出它的頻譜圖。在2PSK波形圖中，1對(duì)應(yīng)的波形與載波極性相同，0對(duì)應(yīng)的波形與載波極性相反。

■ 2.3 2PSK系統(tǒng)解調(diào)部分設(shè)計(jì)

2PSK信號(hào)在接收端應(yīng)先通過(guò)帶通濾波器濾出噪聲，可是本文中假設(shè)信道為理想信道，不考慮噪聲的影響。所以，直接將2PSK信號(hào)與相干載波相乘后送入低通濾波器。低通濾波器的頻帶設(shè)置與雙極性碼頻帶設(shè)置一致。此處歸一化頻率為采樣率Fs除以碼速率RS?？紤]到濾波器的過(guò)度帶，濾波器的最低截止頻率?。?+Rs）/Fs[4~5]。最后利用For循環(huán)語(yǔ)句作為抽樣判決輸出解調(diào)后的序列。在For循環(huán)語(yǔ)句中，首先根據(jù)前面求得的一個(gè)碼元周期內(nèi)的點(diǎn)數(shù)除以2的值與一個(gè)碼元周期內(nèi)的點(diǎn)數(shù)乘以循環(huán)次數(shù)的值（i）相加，第一次進(jìn)入循環(huán)時(shí)i=0，獲得第一個(gè)碼元中間時(shí)刻的抽樣值，再讓獲得的抽樣值與0進(jìn)行比較。因?yàn)樵陔p極性序列與載波相乘后得到的2PSK信號(hào)中，1的波形與載波極性相同，0的波形與載波極性相反。所以，當(dāng)2PSK信號(hào)在解調(diào)時(shí)，若大于0為真時(shí)，判斷輸出結(jié)果為1，若大于0為假時(shí)，即小于0時(shí)，判斷輸出結(jié)果為0。在第二次進(jìn)入循環(huán)時(shí)，i=1，獲得第二個(gè)碼元中間時(shí)刻的抽樣值，之后的過(guò)程以此類推，便可獲得最終的輸出序列。

將2PSK調(diào)制和解調(diào)模塊整合起來(lái)得到整體框圖。點(diǎn)擊LabVIEW中自帶的整理程序框圖按鈕整理整體框圖，使其更加緊湊，布局更加合理。如圖1所示。

圖1 2PSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)整體框圖

3 仿真結(jié)果分析

完成LabVIEW程序的設(shè)計(jì)后，在2PSK前面板中輸入任意序列，本文中輸入的序列為“1110111110”，設(shè)置載頻和碼速率為10，采樣點(diǎn)數(shù)與采樣率為1000，相位輸入為0，運(yùn)行仿真。

觀察圖2和圖3，結(jié)合2PSK前面板中的2PSK波形，輸入序列波形，載波信號(hào)波形可以看出，2PSK波形是由雙極性基帶脈沖信號(hào)與相干載波相乘后得到的。在發(fā)送“0”和“1”時(shí)，2PSK僅相位相差了180°，而它的周期和幅度均無(wú)改變。通過(guò)分析，我們可以清晰地看出2PSK的調(diào)制原理，基帶信號(hào)只改變了信號(hào)的相位，而最終2PSK的波形形狀只由相干載波決定。將2PSK前面板中低通濾波后的波形與2PSK波形比較，可以看出2PSK中的高頻分量被轉(zhuǎn)換為低頻分量輸出。

圖2 輸入序列波形和載波波形

圖3 2PSK波形和頻譜圖

圖4 濾波后波形和輸出序列

通過(guò)比較輸入和輸出序列可知，解調(diào)后的輸出序列與輸入序列一致，沒(méi)有出現(xiàn)誤碼，驗(yàn)證了該仿真系統(tǒng)的正確性，可廣泛應(yīng)用于對(duì)2PSK系統(tǒng)的研究。

但是，2PSK在解調(diào)的過(guò)程中容易發(fā)生相位模糊。原因是2PSK信號(hào)在解調(diào)端與相干載波相乘的過(guò)程中，不能保證恢復(fù)的相干載波是不是需要的相干載波。由于載波恢復(fù)的過(guò)程中會(huì)存在180°的相位模糊現(xiàn)象，即恢復(fù)的相干載波不能確定是否與所需的相干載波同向。假設(shè)，“0”用初始相位0來(lái)表示，“1”用初始相位Π來(lái)表示，恢復(fù)的相干載波與所需的相干載波同向，因?yàn)椤?”對(duì)應(yīng)的波形與相干載波一致，正正得正，所以0相乘出來(lái)的結(jié)果為正，而1對(duì)應(yīng)的波形與相干載波相反，正負(fù)得負(fù)，所以1相乘出來(lái)的結(jié)果為負(fù)。再通過(guò)抽樣判決器，利用閾值電壓是否大于零判別，輸出還原基帶信號(hào)。可是，如果恢復(fù)的本地載波與所需的相干載波存在180度的相位偏移，則0輸出的波形為負(fù)，1輸出的波形為正，最后使得輸出的數(shù)字信號(hào)全部反了。

該仿真系統(tǒng)中未出現(xiàn)相位模糊是因?yàn)樵诮庹{(diào)2PSK信號(hào)時(shí)，直接使用了載波信號(hào)，而在實(shí)際的2PSK系統(tǒng)中使用的應(yīng)是恢復(fù)出的相干載波。

為了解決PSK系統(tǒng)中存在的相位模糊現(xiàn)象，可以采用DPSK技術(shù)。PSK技術(shù)通過(guò)絕對(duì)相位表示信號(hào)。而DPSK不同于PSK，它是利用載波相對(duì)相位的變化來(lái)傳遞信息的。所以，PSK若要正確解調(diào)，則必須恢復(fù)出正確的相干載波，而DPSK在解調(diào)時(shí)只要保證相位的相對(duì)變化即可，克服了PSK中的相位模糊現(xiàn)象。DPSK有相干解調(diào)和差分相干解調(diào)兩種解調(diào)方式。

4 調(diào)制技術(shù)的發(fā)展

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，通信技術(shù)也在以日新月異的速度同步發(fā)展變化著。

在5G通信技術(shù)中，常采用16QAM, 64QAM和256QAM等QAM調(diào)制方式。QAM技術(shù)同時(shí)改變了載波的相位和振幅，可以看做是ASK調(diào)制技術(shù)和PSK調(diào)制技術(shù)的組合。通過(guò)對(duì)QAM調(diào)制公式的因式分解，可以分解出I，Q兩路分量。因此，QAM也可視為對(duì)兩路正交載波實(shí)行幅度調(diào)制的調(diào)制方式。根據(jù)QAM的幅度變化等級(jí)，QAM分為4QAM、16QAM、64QAM、256QAM以及1024QAM等，一個(gè)調(diào)制符號(hào)分別可以傳送2、4、6、8、10比特的信息，當(dāng)然對(duì)信號(hào)質(zhì)量的要求也逐步提升。16QAM及以上常稱為高階調(diào)制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)了2PSK系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)。通過(guò)觀察不同階段的信號(hào)結(jié)果，更好地理解了2PSK系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)原理；在比較輸出序列和輸入序列的過(guò)程中，驗(yàn)證了該仿真系統(tǒng)的可行性。在LabVIEW等諸多仿真平臺(tái)下，我們可以非常方便地修改系統(tǒng)的參數(shù)，調(diào)整界面，添加新的功能，觀察在這些變化下系統(tǒng)的輸入輸出變化。相比于傳統(tǒng)的儀器，這種虛擬仿真方式大大節(jié)約了資源，提高了研究效率。