2DPSK 的調(diào)制解調(diào)及其SystemView仿真

何婷婷，任峻

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410128）

2DPSK 的調(diào)制解調(diào)及其SystemView仿真

何婷婷，任峻

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410128）

本文介紹了2DPSK調(diào)制解調(diào)的基本原理并在SystemView平臺(tái)上構(gòu)建了一個(gè)2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型。通過使用SystemView分析窗口觀察信號(hào)的波形和頻譜，我們能直接觀測(cè)到信號(hào)在傳輸過程中的波形和頻譜的變化，這有助于我們更深刻地理解2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的工作原理和各個(gè)設(shè)備的功能。

SystemView仿真；2DPSK調(diào)制解調(diào)；差分相干解調(diào)；波形分析

SystemView是一種信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和分析［1］。在它的圖標(biāo)庫(kù)中提供了大量的信號(hào)源、接收端、功能塊、算子圖符和函數(shù)庫(kù)，用戶只需用鼠標(biāo)從SystemView庫(kù)中選擇所需圖符并將這些圖符拖到設(shè)計(jì)窗口中連接起來(lái)，就能構(gòu)成各種通信系統(tǒng)的仿真模型［1-3］。通過SystemView的分析窗口，能直接觀測(cè)到傳輸過程中的信號(hào)的波形和頻譜變化，并能方便的進(jìn)行各種比較分析，這有助于我們更深刻地理解通信系統(tǒng)的工作原理和各個(gè)設(shè)備的功能［1-3］。本文以2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)為例，詳細(xì)說明如何應(yīng)用SystemView構(gòu)建仿真系統(tǒng)和分析信號(hào)在傳輸過程中的變化。

12　DPSK調(diào)制解調(diào)基本原理

2PSK是根據(jù)載波的絕對(duì)相位來(lái)表示數(shù)字信息，而2DPSK則是利用載波的相對(duì)相位，即前后相鄰碼元的載波相位值是否變化來(lái)表示數(shù)字信息，若相位改變，則數(shù)字信息為0，否則為1［4-6］。與2DPSK類似，數(shù)字信息的相對(duì)碼同樣是用前后相鄰碼元是否發(fā)生變化表示數(shù)字信息，若碼元改變，則數(shù)字信息為0，否則為1。表1給出一個(gè)數(shù)字信息序列、其對(duì)應(yīng)相對(duì)碼，對(duì)應(yīng)2DPSK信號(hào)的相位以及相對(duì)碼的2PSK信號(hào)相位。

表1　數(shù)字信息序列的2DPSK信號(hào)相位以及該序列相對(duì)碼的2PSK信號(hào)相位的比較Tab.1Compare the phase of the 2DPSK signal of a digital sequence and the phase of the 2PSK signal of its relative code

從表1中可以看出，一個(gè)數(shù)字信息序列的2DPSK信號(hào)可以看成是其相對(duì)碼的2PSK信號(hào)。因此，2DPSK信號(hào)的一種常見調(diào)制方法是先用差分編碼器將二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)碼，然后將相對(duì)碼和載波相乘，得到相對(duì)碼的2PSK信號(hào)，即數(shù)字基帶信號(hào)的2DPSK信號(hào)。這種調(diào)制方法被稱為模擬調(diào)制。其原理框圖如圖1所示。由于數(shù)字信號(hào)的第n個(gè)碼元an的差分碼bn為an與前一個(gè)差分碼bn-1的異或，即bn= an⊕bn-1。因此，框圖中的差分編碼器由異或門XOR和一個(gè)碼元的延時(shí)器組成［5］。

2DPSK信號(hào)根據(jù)前后相鄰碼元的載波相位值是否變化來(lái)表示數(shù)字信息，這也是差分相干解調(diào)法的基本原理。它的原理框圖如圖2所示［3，6］。2DPSK信號(hào)先經(jīng)過帶通濾波器，去除調(diào)制信號(hào)頻帶以外的的噪聲。此后該信號(hào)分為兩路，原2DPSK信號(hào)和延時(shí)一個(gè)碼元后的2DPSK信號(hào)。當(dāng)前者為第n個(gè)碼元an=cos（ωct+φn）時(shí)，后者剛好為第n-1個(gè)碼元an-1=cos（ωct+φn-1）。將兩者相乘，則此時(shí)的積信號(hào)為bn=0.5［cos（φn-1-φn）+cos（2ωct+φn+φn-1）］。通過低通濾波器去除第二項(xiàng)高頻成分，得到第一項(xiàng)的低頻信號(hào)cn=cos（φn-1-φn）。顯然，若前后碼元an-1和an的相位相同，則數(shù)字信號(hào)為0，此時(shí)cn=cos0=1；否則數(shù)字信號(hào)為1，此時(shí)cn=cosπ=-1。將cn送入抽樣判決器中進(jìn)行抽樣判決，即可根據(jù)cn的值判決輸出數(shù)字基帶信號(hào)。

圖12　DPSK信號(hào)調(diào)制器原理框圖Fig.1Schematic diagram of 2DPSK modulator

圖22　DPSK差分相干解調(diào)原理框圖Fig.2Schematic diagram of 2DPSK differential coherent demodulator

2　基于SystemView的2　DPSK仿真設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模擬調(diào)制法產(chǎn)生2DPSK信號(hào)，采用差分相干解調(diào)對(duì)2DPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。使用SystemView軟件仿真時(shí)首先要做系統(tǒng)定時(shí)，本模型中，系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置為采樣點(diǎn)數(shù)為256，采樣頻率為20 000 Hz。

根據(jù)調(diào)制解調(diào)的原理框圖，在SystemView模塊庫(kù)中選擇相應(yīng)的虛擬設(shè)備構(gòu)建2DPSK調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)，并設(shè)置觀察點(diǎn)觀察信號(hào)的波形和頻譜。整個(gè)仿真系統(tǒng)如圖3所示。圖3左邊為2DPSK模擬調(diào)制系統(tǒng)，設(shè)備0產(chǎn)生雙極性二進(jìn)制信號(hào)基帶信號(hào)，是信號(hào)源庫(kù)中的“偽隨機(jī)序列PN Seq”，設(shè)置頻率為1 000 Hz，通過設(shè)定觀察點(diǎn)5可以觀察設(shè)備0的二進(jìn)制基帶信號(hào)；設(shè)備1和設(shè)備2構(gòu)成碼變換器，兩個(gè)設(shè)備的作用是對(duì)上述雙極性基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，設(shè)備1是邏輯庫(kù)中的異或門XOR，設(shè)備2是算子庫(kù)中的延遲delay，延遲時(shí)間是一個(gè)碼元的時(shí)間間隔0.001 s，通過觀察點(diǎn)6可以觀察差分編碼后的波形；設(shè)備3為正弦載波，設(shè)頻率為2 000 Hz，通過觀察點(diǎn)8可以觀察載波波形；設(shè)備4是乘法器，通過觀察點(diǎn)9可以觀察輸出的2DPSK信號(hào)波形。

圖3的右半部分是2DPSK信號(hào)的差分相干解調(diào)。設(shè)備10為帶通濾波器，中心頻率為載波頻率fs=2000Hz，2DPSK經(jīng)過設(shè)備10去除調(diào)制信號(hào)頻帶以外的噪聲；設(shè)備12為延遲器，延遲時(shí)間為一個(gè)碼元的時(shí)間間隔0.001 s；設(shè)備12為乘法器，通過設(shè)備18可以觀察經(jīng)乘法器后的輸出波形；設(shè)備13為低通濾波器，它對(duì)應(yīng)基帶信號(hào)的中心頻率fs=1 000 Hz，通過設(shè)備19可以觀察經(jīng)過低通濾波器后去除高頻成分得到包含基帶信號(hào)的低頻信號(hào)，設(shè)備14、15、16、17構(gòu)成抽樣判決器。其中設(shè)備14為采樣保持器，設(shè)備16為抽樣頻率為1 000 Hz的抽樣脈沖，該頻率為數(shù)字基帶信號(hào)頻率，因此設(shè)備14的作用是對(duì)設(shè)備13輸出的每個(gè)碼元進(jìn)行采樣并將其值保持一個(gè)碼元周期。設(shè)備15為邏輯比較器，它將設(shè)備14輸出的碼元抽樣值與設(shè)備17設(shè)定的判決門限值進(jìn)行比較，從而輸出數(shù)字信息。這里我們?cè)O(shè)定判決門限值為0，比較規(guī)則為：大于門限值輸出0，否則輸出1。最后設(shè)置觀察點(diǎn)20觀察解調(diào)出來(lái)的波形，分析其與基帶信號(hào)波形，判斷仿真是否正確。

圖32　DPSK調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)Fig.3The simulation system of 2DPSK modulation and demodulation system

3　基于SystemView的2　DPSK仿真分析

二進(jìn)制基帶信號(hào)經(jīng)過異或門和延時(shí)器組成的差分編碼器進(jìn)行差分編碼，把用絕對(duì)碼表示的二進(jìn)制基帶信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)碼表示的二進(jìn)制信息，圖4中上面的波形為設(shè)備0產(chǎn)生的雙極性二進(jìn)制基帶信號(hào)。為了方便觀察，我們將該波形上移了1V的電平，即將［-1，1］的雙極性碼波形上移到［0，2］。圖4中下面的波形為該基帶信號(hào)經(jīng)過差分編碼器編碼后的信號(hào)。從圖中可以看出當(dāng)相對(duì)碼信號(hào)電平改變時(shí)，表示數(shù)字信號(hào)“1”；否則，表示數(shù)字信號(hào)“0”。

圖4　雙極性二進(jìn)制基帶信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的相對(duì)碼波形比較Fig.4Compare the waveform of bipolar binary base band signal and its relative code

圖5為經(jīng)過差分編碼后的信號(hào)與正弦載波相乘后得2DPSK信號(hào)與基帶信號(hào)的比較。2DPSK波形的同一相位并不對(duì)應(yīng)相同的數(shù)字信息符號(hào)，而前后碼元的相對(duì)相位才可以唯一確定信號(hào)符號(hào)。通過圖形可以看出，2DPSK信號(hào)前后兩個(gè)碼元的相位差為π，即波形不連續(xù)時(shí)，表示數(shù)字信息“1”；相位差為0，即波形連續(xù)時(shí)表示數(shù)字信息“0”。

圖62DPSK信號(hào)經(jīng)過差分相干解調(diào)后的信號(hào)與基帶信號(hào)的波形比較Fig.6Compare the waveform of the signal after 2DPSK differential coherent demodulating and its original bipolar binary base band signal

圖6為2DPSK信號(hào)經(jīng)過差分相干解調(diào)后的信號(hào)與基帶信號(hào)的比較，其中電平為［0，2］的是波形上移后的基帶信號(hào)的雙極性碼波形，電平為［0，1］的是解調(diào)后的信號(hào)波形。從圖中可以看出解調(diào)信號(hào)就是基帶信號(hào)延遲一個(gè)碼元后的波形。這對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)來(lái)說是正常的，因?yàn)?DPSK系統(tǒng)要經(jīng)過差分變換和濾波等過程，必然會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)傳輸延遲的情況。

圖5　雙極性二進(jìn)制基帶信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的2DPSK信號(hào)的波形比較Fig.5Compare the waveform of bipolar binary base band signal and its 2DPSK signal

4　結(jié)論

文中使用SytemView構(gòu)建了一個(gè)2DPSK調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)，并通過波形對(duì)比分析了2DPSK信號(hào)的調(diào)制原理。最后將基帶信號(hào)與解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行波形比較，驗(yàn)證了2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的正確性。

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Simulation and analysis of the 2DPSK modulation and demodulation system based on SystemView

HE Ting-ting，REN Jun
（College of Information Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

In the paper，we first introduce the basic principles of 2DPSK modulation and demodulation.Then，we build a 2DPSK modulation and demodulation simulation system on SystemView.By using the analytical window of SystemView to observe signal waveform and spectrum，we can see the changes of signal waveform and spectrum in signal transmission process directly，which helps us understand the working principle of 2DPSK modulation and demodulation system and functions of its devices more deeply.

Simulation based on SystemView；modulation and demodulation of 2DPSK；differential coherent demodulation；waveform analysis

TN914.3

A

1674－6236（2015）09-0116-03

2014-07-23稿件編號(hào)：201407178

何婷婷（1993—），女，湖南益陽(yáng)人。研究方向：通信工程。