基于虚拟仪器的2DPSK数字调制解调系统的设计

白国花 王文玺

（1.中北大学信息与通信工程学院，太原 030051；2.中北大学新缘科技中心，太原 030051）

0 引言

众所周知，现代通信系统中，数字调制解调技术应用越来越广泛。数字通信技术采用数字技术进行加密和差错控制，便于集成，因此数字通信具有模拟通信不可比拟的优势。数字基带信号未经调制是很难有效地进行无线传输或者远距离的有线传输的。必须将数字信号首先进行频谱变化，使之适合信道传输，之后，在接收端将变换后的信号进行还原。这种使数字基带信号的频谱进行变换的过程称为数字调制。而在接收端将调制后的信号还原为数字基带信号的过程称为数字解调[1]。

在数字通信系统中,常用的数字调制与解调技术主要有幅移键控ASK（amplitude shift keying）、频移键控FSK（frequency shift keying）、相移键控PSK(phase shift keying)等，还有改进型的和复合的数字调制方式（QAM,MQAM,QPSK等）[2]。在接收端可以采用相干解调和非相干解调方式恢复原始信号。本论文主要研究二进制差分相移键控（2DPSK）调制法和差分相干解调法。并用虚拟仪器软件Labview8.0设计了一个完整的2DPSK信号的调制解调模块。

1 开发环境介绍

这里用虚拟仪器软件Labview8.0。虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。使用较为广泛的开发虚拟仪器的语言，是美国NI公司的LabVIEW。LabVIEW是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。它是图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是框图或流程图。它尽可能利用了研究人员所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。所有的LabVIEW 应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（front panel）、框图（block diagram）以及图标 /连结器(icon/connector)三部分。VI 具有层次化和结构化的特征。一个VI 可以作为子程序， 称为子VI（subVI），可被其他VI 调用。在LabVIEW 的用户界面上，应特别注意它提供的选项板，即操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函数（Functions）模板。这些模板集中反映了该软件的功能与特征[3]。工具模板提供了各种用于创建、修改和调试VI 程序的工具。控制模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个图标代表一类子模板。注意：只有打开前面板时才能调用该模板。功能模板是创建框图程序的工具。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。注意：只有打开了框图程序窗口，才能出现功能模板。

2 2DPSK的调制解调的基本原理

由于传输失真，传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号不适合在各种信道上进行长距离传输。为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。因此，大部分现代通信系统都使用数字调制技术。数字基带信号对载波的某些参数进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。

数字调制与模拟调制一样，都可以用正弦高频信号作为载波的。它们都可以用基带信号控制载波的三个基本参量（幅度、相位、频率）使之随基带信号而变。数字调制方式从原理上可以分为振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）三种。数字信号对载波相位的调制，就叫相移键控。二进制相移键控就是用同一个载波的两种不同相位来代表数字信号。相移键控分为绝对相移和相对相移（即差分相移）。二进制的绝对相移记为2PSK，而差分相移记为2DPSK[4]。由于相移键控的抗噪声性能优于幅移键控和频移键控，且频带利用率较高，误码率较低。从可靠性和有效性角度来看，PSK是这几种调制方式中最优越的调制方式。因而在现代数字通信中，PSK调制解调技术得到了广泛的应用。

但是由于2PSK信号在解调过程中有可能出现“相位模糊”或“倒相”问题。例如，当恢复的相干载波产生180°倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好相反，解调器输出的基带信号全部出错。这种现象通常称为“倒∏”现象。所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒∏”现象，从而使得2PSK方式在实际中很少采用。因此，为了解决2PSK信号解调过程的反向工作问题，人们提出了二进制差分相移键控（2DPSK）。本系统主要实现2DPSK信号在存储传输过程中的调制解调。

二进制相对相移键控（2DPSK）是利用相邻码元载波相位的相对变化来表示数字信号的“1”码和“0”码，这时载波信号的相位与数字信号的“1”码和“0”码之间没有固定的对应关系[5]。二进制差分相移键控2DPSK，其对应的数学表达式为：定波形形状的二进制序列（二元基带信号），an=±1，Ts指时间间隔，g(t)是调制信号的时间波形[6]。

由于2PSK在调制解调过程中会出现0、∏相位模糊度问题，使得解调出来的二进制信号可能1和0倒置，极性完全相反，为了克服“相位模糊度”对于相干解调的影响，最常用的方法就是对调制输入的数字基带信号（即绝对码）进行差分编码，即把绝对码变换为相对码（差分码），再对相对码进行绝对调相即得到2DPSK信号。基带信号的差分编码过程，按照遇1跳变，遇0保持的编码规则进行。然后，对经过差分编码的相对码序列进行PSK绝对调相，具体过程是：其中一路直接与本地载波相乘得到调制信号e，另一路相对码经过取反、上移等过程得到相对码的反码序列b，其与倒相的本地载波经过相乘器得到调制序列f，最后将序列e和f相加，即可得到二进制绝对序列的2DPSK调制信号。以上过程见图1红线左侧部分。

数字解调是数字调制的逆变换。解调的方法必须与调制方式相适应。凡是涉及相位的解调，必须采用相干或差分相干解调，而振幅调制与频率调制可以采用相干解调，也可以采用非相干解调。无论哪一种调制方式，采用相干解调的性能优于非相干解调的性能[7]。2DPSK信号的解调方法主要有两种：相干解调法和差分相干解调方法。如果采用相干解调法，这时抽样判决器输出的是相对码，必须再经过差分解码把相对码转化为绝对码。而差分相干解调法，在抗频漂、抗相位慢抖动等方面均优于相干解调法，而且抽样判决器输出的就是绝对码，即原始的二进制信息。因此，实际中经常使用的是解调方式是差分相干解调法。差分相干解调算法又称为相位比较法解调，这种方法不需要恢复本地载波，通过比较前后码元的载波相位来完成解调，即用前一码元的载波相位作为解调后一码元的参考相位，解调器的输出就是所需的绝对码。

2DPSK解调的关键点是同步检波所需要的载波是由2DPSK信号经过一个周期的延时得到的。具体过程如图1红线右侧部分：将带通滤波后的2DPSK信号延时Ts后，与未延时的2DPSK信号相乘，相乘的结果即反映了前后码元的相对相位关系，再经低通滤波后直接进行抽样判决，即可恢复出原始的二进制序列。这种方法减少了错判和工作量，故是一种实用的方法。

3 2DPSK调制解调模块的分析和设计

3.1 2DPSK调制解调模块的分析

本论文中，假定输入的原始二进制码序列是1001110100，调制解调的分析过程见图2。a图为二进制原始信号，即绝对码二进制序列；b图为绝对码差分编码后的相对码二进制序列1110100111；c图为正弦载波信号；d图为倒相的载波信号；e图为载波和相对码相乘的结果信号；f图为倒相的载波和反相的相对码相乘的结果信号；g图为e和f两图信号相加的结果信号，即调制好的2DPSK信号；h图为g图信号的延时后的信号；i图为2DPSK信号和延时后的2DPSK信号相乘的结果信号；k图为i图信号低通滤波后的信号；m图为解调后的二进制原始信号，即绝对码信号1001110100。

图2 原始二进制码1001110100调制解调的分析过程图

解调原理是以调相时的规律为依据的，若2DPSK信号与前邻码反相，相乘器输出为负值，经抽样判决后输出为“1”码；若同相，相乘器输出为正值，经判决后输出为“0”码。

3.2 2DPSK调制解调模块的设计

3.2.1 调制解调模块框图程序的设计

2DPSK信号调制解调模块总的框图程序如图3所示：

编程过程中需要重点考虑的几个问题：

图1 2DPSK信号的调制解调过程（a～m为信号过程，注意几处信号：a点为二进制相对码信号；b点为相对码反相信号；c点为载波信号；d点为载波倒相信号；g点为2DPSK信号，即待解调的信号；m点为解调后的原始信号.）

图3 2DPSK信号调制解调模块总框图

3.2.1.1 数字滤波器的选用

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频特性，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。同理，在Labview中，可以用其库函数中的滤波器对信号进行去噪或提取特定频率信号。按信号的性质来分，有模拟滤波器和数字滤波器两大类，在虚拟仪器中使用数字滤波器。其中，数字滤波器又分为有限冲击响应滤波器和无限冲击响应滤波器，前者有较平坦的幅频特性，而后者可以实现相位不失真。工程上常用的有巴特沃兹(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、贝塞尔(Bessel)等数字滤波器。数字滤波器以数值计算的方法来实现对离散化信号的处理，与模拟滤波器相比，具有精度高、稳定性好、功能强等优点。

这里选用巴特沃兹(Butterworth)数字滤波器，注意它的参数设置。滤波器类型指定滤波器是高通、低通、带阻还是带通。“0”为低通，“1”为高通，“2”为带通，“3”为带阻。hf 是高截止频率，以Hz为单位。如滤波器类型为0 (lowpass)或1 (highpass)，VI可忽略该参数；滤波器类型为2 (Bandpass)或3 (Bandstop)时，高截止频率 fh必须大于低截止频率 fl。低截止频率 fl必须满足奈奎斯特准则0 ≤ fl＜ 0 .5fs，其中 fs为采样频率。这里，编程中选用了“带通”和”“低通”类型的Butterworth数字滤波器。

3.2.2.2 模块化编程和数据流编程思想

模块化编程和数据流编程是虚拟仪器编程的主要思想和特点。模块化编程思想：将给定的任务划分成一系列较简单的任务，然后构建虚拟仪器来完成各个子任务，将生成的子任务（称为子VI）组装到顶层框图中以组成完整的程序。模块化的意思是：可独立的执行每一个子VI，因而易于调试和验证。数据流编程：由可执行节点组成的编程系统。这些节点仅当它们接收到所有必需的输入数据后才执行，并且当它们执行完成后自动地产生输出（或数据才流出节点)。数据流的概念与常规程序执行时的控制流方法完全不同。传统的顺序代码是指令驱动的，而VI的数据流则是数据驱动的。或者说，程序的执行是由数据流控制的，而不是按照代码行的顺序线性执行。

3.2.2.3 Express VI的应用

Express VI的思想:通过对话框进行交互式操作来快速配置VI，而不是通过重新配置子VI框图中的代码来配置VI。故可快速构建完成公共测量任务。工作方式是，采用对话框配置实现，因此它是所需连线最少的节点。它为Functions选项板中蓝色背景的可扩展节点图标。注意，编程过程中：①优先使用；②Express VI处理的数据类型为动态数据类型。这里采用了simulate signal 的Express VI，产生载波正弦信号。

3.2.2.4 MathScript技术的应用

MathScript是一种高级编程语言，它是LabView的一项新特性。MathScript将面向数学的文本编程加入到LabView中。有两种MathScript实现方法： MathScript交互式窗口和MathScript节点。可在英文版LabView8.0中实现，目前在中文版的LabView软件中，此功能不能用。有了MathScript，在LabView环境中，可以选择文本编程方法（通过命令提示和脚本）、图形编程方法（通过VI ),或者两种方法相结合（通过VI中的MathScript节点)，开发者可根据需要自选高效的方法。同时，注意，MathScript不需要第三方软件来编译和执行，即不需要电脑上同时装matlab软件。这里，可以用MathScript模拟产生原始二进制信号。

图4 原始二进制信号1001110100的调制解调仿真图

3.2.2.5 子Vi的使用

子VI（SubVI）相当于普通编程语言中的子程序，也就是被其他的 VI 调用的VI。可以将任何一个定义了图标和连接器的 VI作为另一个 VI 的子程序。构造一个子VI 主要的工作就是定义它的图标和连接器。图标：每个VI都有一个默认图标，显示在前面板和框图窗口的右上角。在调用VI的框图中，子VI就是用图标表示。连接器是与VI控件和指示器对应的一组端子。连接器是为VI建立的输入和输出口，这样VI就可以作为子VI使用了，这样就可以和顶层VI交换数据了。连接器从输入端子接收数据，并在VI执行完成时将数据传送到输出端子。有两种基本方法可以创建和使用子VI ：由VI创建子VI和选定内容创建子VI。⑴由VI创建子VI：具体操作：在流程图中打开Functions»Select a VI…. ，就可以选择要调用的子VI。⑵选定内容创建子VI：具体操作：在框图中选中一部分，从Edit菜单中选择Create SubVI，一个默认子VI图标将代替所选对象组[8]。使用这种选择方法创建子VI可将VI模块化。这里，在总框图程序中调用了差分编码，反相编码，倒相编码子函数SubVI，实现了模块化编程。

3.2.2.6 While 循环的应用

While 循环可以反复执行循环体的程序，直至到达停止的条件。While 循环的框图是一个大小可变的方框，用于执行框中的程序，直到条件端子接收到的布尔值为 FALSE。 While循环有两个端子：条件端子（输入端子）和重复端子（输出端子）。条件端子输入的是布尔变量，它用于判断循环在什么条件下停止执行。它有两种使用状态：Stop if True和Continue if True .重复端子i为当前循环的次数。在编制任何一个虚拟仪器程序时，While 循环总要被用到，因为某种操作总要从开始执行到停止下来。

3.2.2 调制解调模块的实验结果

2DPSK信号调制解调的实验结果如前面板所示，图4中，（a）图为载波正弦信号（白色波形）和原始二进制信号1001110100，即绝对码信号（红色波形）；（b）图为绝对码信号（红色波形）和相对码信号（白色波形）；(c)图为解调好的原始二进制绝对码信号。实验结果验证了3.1节中2DPSK信号调制解调的理论推导结果。故该设计系统能完成数字信号的调制解调功能，即基带信号的频带传输功能。

4 结论

数字调制解调作为数字通信系统的重要组成部分，对它的分析与研究越来越重要。本论文重点研究了二进制差分相移键控2DPSK信号的调制解调过程。通过对调制解调模块的仿真，可以直观的了解到，数字调制解调系统的性能及影响性能的因素，从而便于改进。在以后的研究中，继续追随最新技术，比如，采用新的多用途可编程数字信号处理器、嵌入式的软件实现方法等新技术，改进和提高数字调制解调模块的性能。

[1] 吴资玉.《通信原理》[M].北京：电子工业出版社，2008年，326页

[2] 王琪.《通信原理》[M].北京：电子工业出版社，2011年，243-249页

[3] Robert H.Bishop.《Labview 8 实用教程》[M]. 北京 ：电子工业出版社, 2010年:16-19页

[4] 李晓峰.《通信原理》[M].北京：清华大学出版社,2008年：188页

[5] 江力.《通信原理》[M].北京：清华大学出版社，2007年：163页

[6] 王文玺.《存储测试系统中软件平台设计研究》[D].太原：中北大学硕士学位论文，2010年

[7] http://blog.163.com/zhangsiqinhappy@126/blog/static/1222814320087910343669/下载时间：2013年1月14日

[8] 刘其和.《LabVIEW虚拟仪器程序设计与应用》[M].北京：化学工业出版社, 2011年：50页