基于 LabVIEW 的 2PSK 系統(tǒng)的仿真設計與實現(xiàn)

劉佳明

（南京信息工程大學，江蘇南京，210044）

0 引言

數(shù)字無線電又稱數(shù)字頻帶傳輸，其任務是在兩個或多個點之間，傳送經(jīng)過數(shù)字調制的模擬載波信號，是一種廣泛應用的通信系統(tǒng)[1]。對數(shù)字信號實現(xiàn)調制的最基本方法有3種，分別通過改變載波的幅度、頻率和相位來實現(xiàn)。第一種是幅移鍵控調制，簡稱ASK，它是通過改變載波的振幅大小來表示信號的；第二種是頻移鍵控調制，簡稱FSK，它是通過改變載波的頻率快慢來表示信號的；第三種相移鍵控，簡稱PSK，是通過改變載波的相位來表示信號的。本文中主要對二進制信號的PSK，簡稱2PSK的調制解調原理進行驗證。

本文通過LabVIEW實現(xiàn)對2PSK系統(tǒng)的仿真設計，通過觀察2PSK調制解調過程中不同階段對應信號的波形，可以更好地理解2PSK的原理。

1 2PSK的調制解調原理

■ 1.1 2PSK的調制原理

2PSK是通過改變載波的絕對相位來傳遞數(shù)字信號的。在2PSK系統(tǒng)中，二進制“0”可以設為0相位，也可設為Π相位，二進制“1”也是如此。但是，通常情況下，二進制“0”用初始相位0來表示，“1”用初始相位Π表示[3]。

由此， 2PSK信號的時域表達式為：

其中φn為第n個符號的絕對相位：

同樣，2PSK的時域表達式也可表示為：

2PSK信號的調制方法分為鍵控法和模擬調制法兩種。

■ 1.2 2PSK的解調原理

2PSK信號的解調通常采用相干解調法。首先將2PSK信號通過一個帶通濾波器，過濾掉沒有用的噪聲信號；再將通過帶通濾波器之后得到的信號與相干載波相乘，設“0”用初始相位0來表示，“1”用初始相位Π表示，則0對應的輸出信號為正，1對應的輸出信號為負；接著通過一個低通濾波器，使得信號中的高頻分量被轉換為低頻分量輸出，若2PSK解調中沒有了低通濾波器，一個高頻的信號在經(jīng)過抽樣判決器抽樣時，因為它在一個碼元寬度內，零點很多，所以很容易抽樣到0點附近的值造成結果的不準確；最后進入抽樣判決器，抽樣頻率與碼元速率一致，通過輸入定時脈沖的方式，做到位同步，利用閾值電壓是否大于零判別，得到最后的解調輸出信號。

2 2PSK系統(tǒng)的LabVIEW設計與實現(xiàn)

在構建2PSK系統(tǒng)時，本文采用模擬調制法和相干解調法。設“0”用初始相位Π來表示，“1”用初始相位0來表示。仿真流程如下：首先產生一個與載波速率一致且能發(fā)送任意序列的輸入序列，通過對它的極性轉換產生負的輸入序列，再將兩個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。本文中假設2PSK經(jīng)過的信道為理想信道，所以不必再加入帶通濾波器濾出噪聲，直接將得到的2PSK信號與相干載波相乘后經(jīng)過低通濾波器，將高頻分量轉換為低頻分量輸出，最后經(jīng)過抽樣判決器來還原基帶信號。抽樣判決器是通過for循環(huán)判斷每個碼元中間時刻的抽樣值是否大于0，來判斷每個碼元是0還是1來實現(xiàn)的。

本文中運用LabVIEW作為仿真軟件。LabVIEW是一個圖形化的軟件，利于理解。它通過編寫程序流程圖，通過它們之間的連線關系可以實現(xiàn)對一個通信系統(tǒng)的仿真，易于理解和上手。在利用LabVIEW進行仿真設計的時候，要善于應用模塊化的思想，將一個復雜的仿真問題劃分為若干子模塊進行解決，最后再將它們整合起來。

■ 2.1 產生序列.vi的設計

由于LabVIEW自帶仿真信號中的方波只能發(fā)送周期的信號，即只能發(fā)送“0”和“1”交替的信號，不能發(fā)送類似于“0111001”的這種隨機序列，可是我們需要構建出的系統(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個數(shù)值輸入控件以及一個波形圖輸出控件，輸出輸入序列的波形。先通過數(shù)組大小控件判斷輸入數(shù)組的長度，作為第一個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，在該數(shù)組相應的i位置上的數(shù)為1還是0。因為在產生輸入序列時，需要控制輸入序列產生的速度與載波的速度一致。所以，第二個for循環(huán)的目的是將數(shù)組按固定的速率輸出。可是由于輸出的數(shù)組為二維數(shù)組，所以此時需要利用事先完成的二維數(shù)組轉一維數(shù)組控件將輸出的二維數(shù)組轉成一維數(shù)組輸出，得到最后的輸入序列。

■ 2.2 2PSK系統(tǒng)調制部分設計

首先在前面板創(chuàng)建6個輸入控件，分別改變輸入序列、采樣點數(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個波形圖輸出控件和一個碼周期內的點數(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）。先輸入采樣點數(shù)、采樣率、載頻以及初始相位等參數(shù)，利用正弦波產生器產生載波，規(guī)定載波的幅度為1，頻率為載頻/采樣率。因為載波與雙極性序列相乘后才能得到2PSK波形。所以，要對上面產生的序列進行極性反轉，即當輸入為0時，變?yōu)?1，輸入為1時，變?yōu)?。再將輸入序列和極性反轉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信號輸出，對其通過FFT頻譜控件進行頻譜測量，輸出它的頻譜圖。在2PSK波形圖中，1對應的波形與載波極性相同，0對應的波形與載波極性相反。

■ 2.3 2PSK系統(tǒng)解調部分設計

2PSK信號在接收端應先通過帶通濾波器濾出噪聲，可是本文中假設信道為理想信道，不考慮噪聲的影響。所以，直接將2PSK信號與相干載波相乘后送入低通濾波器。低通濾波器的頻帶設置與雙極性碼頻帶設置一致。此處歸一化頻率為采樣率Fs除以碼速率RS。考慮到濾波器的過度帶，濾波器的最低截止頻率取（1+Rs）/Fs[4~5]。最后利用For循環(huán)語句作為抽樣判決輸出解調后的序列。在For循環(huán)語句中，首先根據(jù)前面求得的一個碼元周期內的點數(shù)除以2的值與一個碼元周期內的點數(shù)乘以循環(huán)次數(shù)的值（i）相加，第一次進入循環(huán)時i=0，獲得第一個碼元中間時刻的抽樣值，再讓獲得的抽樣值與0進行比較。因為在雙極性序列與載波相乘后得到的2PSK信號中，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2PSK信號在解調時，若大于0為真時，判斷輸出結果為1，若大于0為假時，即小于0時，判斷輸出結果為0。在第二次進入循環(huán)時，i=1，獲得第二個碼元中間時刻的抽樣值，之后的過程以此類推，便可獲得最終的輸出序列。

將2PSK調制和解調模塊整合起來得到整體框圖。點擊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調制解調系統(tǒng)整體框圖

3 仿真結果分析

完成LabVIEW程序的設計后，在2PSK前面板中輸入任意序列，本文中輸入的序列為“1110111110”，設置載頻和碼速率為10，采樣點數(shù)與采樣率為1000，相位輸入為0，運行仿真。

觀察圖2和圖3，結合2PSK前面板中的2PSK波形，輸入序列波形，載波信號波形可以看出，2PSK波形是由雙極性基帶脈沖信號與相干載波相乘后得到的。在發(fā)送“0”和“1”時，2PSK僅相位相差了180°，而它的周期和幅度均無改變。通過分析，我們可以清晰地看出2PSK的調制原理，基帶信號只改變了信號的相位，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

通過比較輸入和輸出序列可知，解調后的輸出序列與輸入序列一致，沒有出現(xiàn)誤碼，驗證了該仿真系統(tǒng)的正確性，可廣泛應用于對2PSK系統(tǒng)的研究。

但是，2PSK在解調的過程中容易發(fā)生相位模糊。原因是2PSK信號在解調端與相干載波相乘的過程中，不能保證恢復的相干載波是不是需要的相干載波。由于載波恢復的過程中會存在180°的相位模糊現(xiàn)象，即恢復的相干載波不能確定是否與所需的相干載波同向。假設，“0”用初始相位0來表示，“1”用初始相位Π來表示，恢復的相干載波與所需的相干載波同向，因為“0”對應的波形與相干載波一致，正正得正，所以0相乘出來的結果為正，而1對應的波形與相干載波相反，正負得負，所以1相乘出來的結果為負。再通過抽樣判決器，利用閾值電壓是否大于零判別，輸出還原基帶信號。可是，如果恢復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，1輸出的波形為正，最后使得輸出的數(shù)字信號全部反了。

該仿真系統(tǒng)中未出現(xiàn)相位模糊是因為在解調2PSK信號時，直接使用了載波信號，而在實際的2PSK系統(tǒng)中使用的應是恢復出的相干載波。

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。PSK技術通過絕對相位表示信號。而DPSK不同于PSK，它是利用載波相對相位的變化來傳遞信息的。所以，PSK若要正確解調，則必須恢復出正確的相干載波，而DPSK在解調時只要保證相位的相對變化即可，克服了PSK中的相位模糊現(xiàn)象。DPSK有相干解調和差分相干解調兩種解調方式。

4 調制技術的發(fā)展

隨著時代的不斷進步，通信技術也在以日新月異的速度同步發(fā)展變化著。

在5G通信技術中，常采用16QAM, 64QAM和256QAM等QAM調制方式。QAM技術同時改變了載波的相位和振幅，可以看做是ASK調制技術和PSK調制技術的組合。通過對QAM調制公式的因式分解，可以分解出I，Q兩路分量。因此，QAM也可視為對兩路正交載波實行幅度調制的調制方式。根據(jù)QAM的幅度變化等級，QAM分為4QAM、16QAM、64QAM、256QAM以及1024QAM等，一個調制符號分別可以傳送2、4、6、8、10比特的信息，當然對信號質量的要求也逐步提升。16QAM及以上常稱為高階調制。

5 結束語

本文基于LabVIEW軟件實現(xiàn)了2PSK系統(tǒng)的調制與解調。通過觀察不同階段的信號結果，更好地理解了2PSK系統(tǒng)的調制解調原理；在比較輸出序列和輸入序列的過程中，驗證了該仿真系統(tǒng)的可行性。在LabVIEW等諸多仿真平臺下，我們可以非常方便地修改系統(tǒng)的參數(shù)，調整界面，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。