基于虛擬儀器的2DPSK數字調制解調系統的設計

白國花 王文璽

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

0 引言

眾所周知，現代通信系統中，數字調制解調技術應用越來越廣泛。數字通信技術采用數字技術進行加密和差錯控制，便于集成，因此數字通信具有模擬通信不可比擬的優勢。數字基帶信號未經調制是很難有效地進行無線傳輸或者遠距離的有線傳輸的。必須將數字信號首先進行頻譜變化，使之適合信道傳輸，之后，在接收端將變換后的信號進行還原。這種使數字基帶信號的頻譜進行變換的過程稱為數字調制。而在接收端將調制后的信號還原為數字基帶信號的過程稱為數字解調[1]。

在數字通信系統中,常用的數字調制與解調技術主要有幅移鍵控ASK（amplitude shift keying）、頻移鍵控FSK（frequency shift keying）、相移鍵控PSK(phase shift keying)等，還有改進型的和復合的數字調制方式（QAM,MQAM,QPSK等）[2]。在接收端可以采用相干解調和非相干解調方式恢復原始信號。本論文主要研究二進制差分相移鍵控（2DPSK）調制法和差分相干解調法。并用虛擬儀器軟件Labview8.0設計了一個完整的2DPSK信號的調制解調模塊。

1 開發環境介紹

這里用虛擬儀器軟件Labview8.0。虛擬儀器（virtual instrument）是基于計算機的儀器。使用較為廣泛的開發虛擬儀器的語言，是美國NI公司的LabVIEW。LabVIEW是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業界、學術界和實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。它是圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時，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語、圖標和概念，因此，LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具。所有的LabVIEW 應用程序，即虛擬儀器（VI），它包括前面板（front panel）、框圖（block diagram）以及圖標 /連結器(icon/connector)三部分。VI 具有層次化和結構化的特征。一個VI 可以作為子程序， 稱為子VI（subVI），可被其他VI 調用。在LabVIEW 的用戶界面上，應特別注意它提供的選項板，即操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函數（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建、修改和調試VI 程序的工具。控制模板用來給前面板設置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。每個圖標代表一類子模板。注意：只有打開前面板時才能調用該模板。功能模板是創建框圖程序的工具。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個子模板。注意：只有打開了框圖程序窗口，才能出現功能模板。

2 2DPSK的調制解調的基本原理

由于傳輸失真，傳輸損耗以及保證帶內特性的原因，基帶信號不適合在各種信道上進行長距離傳輸。為了進行長途傳輸，必須對數字信號進行載波調制，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。因此，大部分現代通信系統都使用數字調制技術。數字基帶信號對載波的某些參數進行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化。

數字調制與模擬調制一樣，都可以用正弦高頻信號作為載波的。它們都可以用基帶信號控制載波的三個基本參量（幅度、相位、頻率）使之隨基帶信號而變。數字調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。數字信號對載波相位的調制，就叫相移鍵控。二進制相移鍵控就是用同一個載波的兩種不同相位來代表數字信號。相移鍵控分為絕對相移和相對相移（即差分相移）。二進制的絕對相移記為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看，PSK是這幾種調制方式中最優越的調制方式。因而在現代數字通信中，PSK調制解調技術得到了廣泛的應用。

但是由于2PSK信號在解調過程中有可能出現“相位模糊”或“倒相”問題。例如，當恢復的相干載波產生180°倒相時，解調出的數字基帶信號將與發送的數字基帶信號正好相反，解調器輸出的基帶信號全部出錯。這種現象通常稱為“倒∏”現象。所以2PSK信號的相干解調存在隨機的“倒∏”現象，從而使得2PSK方式在實際中很少采用。因此，為了解決2PSK信號解調過程的反向工作問題，人們提出了二進制差分相移鍵控（2DPSK）。本系統主要實現2DPSK信號在存儲傳輸過程中的調制解調。

二進制相對相移鍵控（2DPSK）是利用相鄰碼元載波相位的相對變化來表示數字信號的“1”碼和“0”碼，這時載波信號的相位與數字信號的“1”碼和“0”碼之間沒有固定的對應關系[5]。二進制差分相移鍵控2DPSK，其對應的數學表達式為：定波形形狀的二進制序列（二元基帶信號），an=±1，Ts指時間間隔，g(t)是調制信號的時間波形[6]。

由于2PSK在調制解調過程中會出現0、∏相位模糊度問題，使得解調出來的二進制信號可能1和0倒置，極性完全相反，為了克服“相位模糊度”對于相干解調的影響，最常用的方法就是對調制輸入的數字基帶信號（即絕對碼）進行差分編碼，即把絕對碼變換為相對碼（差分碼），再對相對碼進行絕對調相即得到2DPSK信號。基帶信號的差分編碼過程，按照遇1跳變，遇0保持的編碼規則進行。然后，對經過差分編碼的相對碼序列進行PSK絕對調相，具體過程是：其中一路直接與本地載波相乘得到調制信號e，另一路相對碼經過取反、上移等過程得到相對碼的反碼序列b，其與倒相的本地載波經過相乘器得到調制序列f，最后將序列e和f相加，即可得到二進制絕對序列的2DPSK調制信號。以上過程見圖1紅線左側部分。

數字解調是數字調制的逆變換。解調的方法必須與調制方式相適應。凡是涉及相位的解調，必須采用相干或差分相干解調，而振幅調制與頻率調制可以采用相干解調，也可以采用非相干解調。無論哪一種調制方式，采用相干解調的性能優于非相干解調的性能[7]。2DPSK信號的解調方法主要有兩種：相干解調法和差分相干解調方法。如果采用相干解調法，這時抽樣判決器輸出的是相對碼，必須再經過差分解碼把相對碼轉化為絕對碼。而差分相干解調法，在抗頻漂、抗相位慢抖動等方面均優于相干解調法，而且抽樣判決器輸出的就是絕對碼，即原始的二進制信息。因此，實際中經常使用的是解調方式是差分相干解調法。差分相干解調算法又稱為相位比較法解調，這種方法不需要恢復本地載波，通過比較前后碼元的載波相位來完成解調，即用前一碼元的載波相位作為解調后一碼元的參考相位，解調器的輸出就是所需的絕對碼。

2DPSK解調的關鍵點是同步檢波所需要的載波是由2DPSK信號經過一個周期的延時得到的。具體過程如圖1紅線右側部分：將帶通濾波后的2DPSK信號延時Ts后，與未延時的2DPSK信號相乘，相乘的結果即反映了前后碼元的相對相位關系，再經低通濾波后直接進行抽樣判決，即可恢復出原始的二進制序列。這種方法減少了錯判和工作量，故是一種實用的方法。

3 2DPSK調制解調模塊的分析和設計

3.1 2DPSK調制解調模塊的分析

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

圖2 原始二進制碼1001110100調制解調的分析過程圖

解調原理是以調相時的規律為依據的，若2DPSK信號與前鄰碼反相，相乘器輸出為負值，經抽樣判決后輸出為“1”碼；若同相，相乘器輸出為正值，經判決后輸出為“0”碼。

3.2 2DPSK調制解調模塊的設計

3.2.1 調制解調模塊框圖程序的設計

2DPSK信號調制解調模塊總的框圖程序如圖3所示：

編程過程中需要重點考慮的幾個問題：

圖1 2DPSK信號的調制解調過程（a～m為信號過程，注意幾處信號：a點為二進制相對碼信號；b點為相對碼反相信號；c點為載波信號；d點為載波倒相信號；g點為2DPSK信號，即待解調的信號；m點為解調后的原始信號.）

圖3 2DPSK信號調制解調模塊總框圖

3.2.1.1 數字濾波器的選用

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。在測試裝置中，利用濾波器的這種選頻特性，可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。同理，在Labview中，可以用其庫函數中的濾波器對信號進行去噪或提取特定頻率信號。按信號的性質來分，有模擬濾波器和數字濾波器兩大類，在虛擬儀器中使用數字濾波器。其中，數字濾波器又分為有限沖擊響應濾波器和無限沖擊響應濾波器，前者有較平坦的幅頻特性，而后者可以實現相位不失真。工程上常用的有巴特沃茲(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、貝塞爾(Bessel)等數字濾波器。數字濾波器以數值計算的方法來實現對離散化信號的處理，與模擬濾波器相比，具有精度高、穩定性好、功能強等優點。

這里選用巴特沃茲(Butterworth)數字濾波器，注意它的參數設置。濾波器類型指定濾波器是高通、低通、帶阻還是帶通。“0”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；濾波器類型為2 (Bandpass)或3 (Bandstop)時，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數字濾波器。

3.2.2.2 模塊化編程和數據流編程思想

模塊化編程和數據流編程是虛擬儀器編程的主要思想和特點。模塊化編程思想：將給定的任務劃分成一系列較簡單的任務，然后構建虛擬儀器來完成各個子任務，將生成的子任務（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：可獨立的執行每一個子VI，因而易于調試和驗證。數據流編程：由可執行節點組成的編程系統。這些節點僅當它們接收到所有必需的輸入數據后才執行，并且當它們執行完成后自動地產生輸出（或數據才流出節點)。數據流的概念與常規程序執行時的控制流方法完全不同。傳統的順序代碼是指令驅動的，而VI的數據流則是數據驅動的。或者說，程序的執行是由數據流控制的，而不是按照代碼行的順序線性執行。

3.2.2.3 Express VI的應用

Express VI的思想:通過對話框進行交互式操作來快速配置VI，而不是通過重新配置子VI框圖中的代碼來配置VI。故可快速構建完成公共測量任務。工作方式是，采用對話框配置實現，因此它是所需連線最少的節點。它為Functions選項板中藍色背景的可擴展節點圖標。注意，編程過程中：①優先使用；②Express VI處理的數據類型為動態數據類型。這里采用了simulate signal 的Express VI，產生載波正弦信號。

3.2.2.4 MathScript技術的應用

MathScript是一種高級編程語言，它是LabView的一項新特性。MathScript將面向數學的文本編程加入到LabView中。有兩種MathScript實現方法： MathScript交互式窗口和MathScript節點。可在英文版LabView8.0中實現，目前在中文版的LabView軟件中，此功能不能用。有了MathScript，在LabView環境中，可以選擇文本編程方法（通過命令提示和腳本）、圖形編程方法（通過VI ),或者兩種方法相結合（通過VI中的MathScript節點)，開發者可根據需要自選高效的方法。同時，注意，MathScript不需要第三方軟件來編譯和執行，即不需要電腦上同時裝matlab軟件。這里，可以用MathScript模擬產生原始二進制信號。

圖4 原始二進制信號1001110100的調制解調仿真圖

3.2.2.5 子Vi的使用

子VI（SubVI）相當于普通編程語言中的子程序，也就是被其他的 VI 調用的VI。可以將任何一個定義了圖標和連接器的 VI作為另一個 VI 的子程序。構造一個子VI 主要的工作就是定義它的圖標和連接器。圖標：每個VI都有一個默認圖標，顯示在前面板和框圖窗口的右上角。在調用VI的框圖中，子VI就是用圖標表示。連接器是與VI控件和指示器對應的一組端子。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交換數據了。連接器從輸入端子接收數據，并在VI執行完成時將數據傳送到輸出端子。有兩種基本方法可以創建和使用子VI ：由VI創建子VI和選定內容創建子VI。⑴由VI創建子VI：具體操作：在流程圖中打開Functions?Select a VI…. ，就可以選擇要調用的子VI。⑵選定內容創建子VI：具體操作：在框圖中選中一部分，從Edit菜單中選擇Create SubVI，一個默認子VI圖標將代替所選對象組[8]。使用這種選擇方法創建子VI可將VI模塊化。這里，在總框圖程序中調用了差分編碼，反相編碼，倒相編碼子函數SubVI，實現了模塊化編程。

3.2.2.6 While 循環的應用

While 循環可以反復執行循環體的程序，直至到達停止的條件。While 循環的框圖是一個大小可變的方框，用于執行框中的程序，直到條件端子接收到的布爾值為 FALSE。 While循環有兩個端子：條件端子（輸入端子）和重復端子（輸出端子）。條件端子輸入的是布爾變量，它用于判斷循環在什么條件下停止執行。它有兩種使用狀態：Stop if True和Continue if True .重復端子i為當前循環的次數。在編制任何一個虛擬儀器程序時，While 循環總要被用到，因為某種操作總要從開始執行到停止下來。

3.2.2 調制解調模塊的實驗結果

2DPSK信號調制解調的實驗結果如前面板所示，圖4中，（a）圖為載波正弦信號（白色波形）和原始二進制信號1001110100，即絕對碼信號（紅色波形）；（b）圖為絕對碼信號（紅色波形）和相對碼信號（白色波形）；(c)圖為解調好的原始二進制絕對碼信號。實驗結果驗證了3.1節中2DPSK信號調制解調的理論推導結果。故該設計系統能完成數字信號的調制解調功能，即基帶信號的頻帶傳輸功能。

4 結論

數字調制解調作為數字通信系統的重要組成部分，對它的分析與研究越來越重要。本論文重點研究了二進制差分相移鍵控2DPSK信號的調制解調過程。通過對調制解調模塊的仿真，可以直觀的了解到，數字調制解調系統的性能及影響性能的因素，從而便于改進。在以后的研究中，繼續追隨最新技術，比如，采用新的多用途可編程數字信號處理器、嵌入式的軟件實現方法等新技術，改進和提高數字調制解調模塊的性能。

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

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

[3] Robert H.Bishop.《Labview 8 實用教程》[M]. 北京 ：電子工業出版社, 2010年:16-19頁

[4] 李曉峰.《通信原理》[M].北京：清華大學出版社,2008年：188頁

[5] 江力.《通信原理》[M].北京：清華大學出版社，2007年：163頁

[6] 王文璽.《存儲測試系統中軟件平臺設計研究》[D].太原：中北大學碩士學位論文，2010年

[7] http://blog.163.com/zhangsiqinhappy@126/blog/static/1222814320087910343669/下載時間：2013年1月14日

[8] 劉其和.《LabVIEW虛擬儀器程序設計與應用》[M].北京：化學工業出版社, 2011年：50頁