基于半实物虚拟仿真的DBPSK 二次开发

魏建军，刘乃安，唐 军

（西安电子科技大学 通信工程学院，陕西 西安 710071）

0 引言

差分二进制相移键控（Differentially Binary Phase Shift Keying，DBPSK）是通信理论与技术调制部分最基本的内容，是现代通信中最基本的通信方式，涉及到差分编码、相位调制等内容，也是通信技术研发人员必须掌握的知识。因为DBPSK 比较基础又特别重要，高等学校通信专业实验室基本都开展了DBPSK 实验。有的实验室采用硬件实验方式，使用实验箱进行DBPSK 调制解调实验，实验箱中面板上的按钮可以设置发射信号的数据速率，旋钮可以选择调制解调时载波频率，然后使用示波器观察基带波形、调制或解调后的波形；有些实验室提供频谱仪观察信号调制过程中频谱的变换。实验中可设置的参数极其受限，几乎完全固定操作，动手多动脑少，对知识的理解受限。在课程安排上，学生因课时限制往往分开进行实验，一个时段内只能巩固某一实验箱对应的理论知识和实验技能，对所学的专业缺乏系统性认识。有的实验室采用软件仿真的方式开展DBPSK 调制解调实验，仿真平台有Matlab/Simulink、SystenView 等，使用软件提供的差分编码、调制解调等模块搭建整个调制解调系统。系统中的参数、调制解调的方式、结构都可自由设置，提供了最大的灵活性，器件全、仿真效率高。但是软件仿真处理的完全是理想信号，与实际工程有相当大的差距，真实感不强，不利于培养学生动手实践能力。

半实物虚拟仿真起源于20 世纪80年代，其能够减小系统的研究周期以及研究的成本，并且接近于系统的实际状态，受到了研究人员广泛重视。半实物虚拟仿真技术与计算机技术、网络技术有着紧密联系，随着计算机技术和网络技术的不断进步，可以在计算机上实现更为复杂的实验系统，因此半实物虚拟仿真技术也取得了长足发展。另外，由于其结果可信度高、实现成本低，在通信理论与技术的研究与教学活动中也发挥着重要作用。

1 DBPSK 调制解调及开发平台

1.1 DBPSK 调制解调

DBPSK 通过前后相邻码元的载波相对相位变化表示二进制数字信息，以达到调制的目的，载波相位差存在于前后相邻码元之间。定义二进制数字信息与相邻码元载波相位差的关系为Δ，当相位差Δ=0 时，二进制数字信息表示“0”，而当相位差Δ=π 时，二进制数字信息表示“1”。通过二进制数字信息，获得对应的DBPSK 信号的载波相位关系，DBPSK 信号（）可以表示为：

式中：为载波频率；为初始相位。在DBPSK 信号的产生过程中，首先需要对二进制数字基带信号进行差分编码，将表示数字信息序列的绝对码变换成包含着相邻码元之间相位关系的相对码，然后再进行二进制相位调制。

DBPSK 解调是从已调信号中恢复出原始基带信号的过程，与调制时相对应，当相位没有变化时表示二进制数字信号“0”，当相位出现180°反转时表示二进制数字信号“1”，从而实现DBPSK 信号解调。

1.2 半实物虚拟仿真平台

DBPSK 调制解调半实物虚拟仿真采用自主设计研发的无线通信系统综合实验平台，该平台包括无线通信技术实验部分和网络与管理部分。无线通信技术实验部分为学生提供了实验操作界面，通过浏览器与测试仪器开展通信技术实验。网络与管理部分为教师提供管理平台的操作，包括各种权限的设置、实验设备的分配等相关管理工作。在管理软件和操作软件的支持下，既能在现场进行实验，也能通过网络在远端进行实时操作，开发或者测试新的实验项目，适应当前通信理论教学及实验教学的发展趋势。

无线通信系统综合实验平台采用模块化、积木式方式，包括基带部分、射频部分、天线和操作控制部分，如图1 所示。

图1 无线通信系统综合实验平台

基带部分、射频部分、天线各部分既相互独立，又可相互结合，构成一个完整的无线通信收发系统。基带部分共由8 个模块构成，这8 个模块可构成一个基带收发系统，开展基带通信实验。每个模块也可与其他模块组合构成一个闭环，实现一个通信子系统，进行相应的实验内容。射频部分也包括8 个模块，实现射频收发功能。每个射频模块都预留标准接口，方便插拔与替换，满足设计性和开发性实验的需求。

无线通信综合实验平台支持二次开发，进行二次开发时，首先选择对应的实验模块，完成项目的系统设计和验证；然后根据开发所使用的FPGA 芯片及其管脚与外部的连接关系，使用硬件描述语言完成代码的编写、仿真和验证；最后编译生成二进制文件，并将文件加载到无线通信系统综合实验平台中，使用系统自带的虚拟仪器或者实际仪器验证设计的正确性和性能。

2 DBPSK 调制解调系统设计

在DBPSK 调制解调开发之前，先使用Simulink 建立DBPSK 调制解调系统模型进行系统设计，验证所设计系统的功能。在DBPSK 信号的产生中，首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将表示数字信息序列的绝对码变换成包含着相邻码元之间相位关系的相对码；然后根据相对码进行绝对调相，产生二进制差分相移键控信号。二进制绝对调相有键控法和相乘法两种方式。键控法根据二进制数字信号，选择载波的正相位或者负相位进行输出；而相乘法将双极性二进制数字信号与载波进行相乘，乘法器的输出就是已调信号。由于在FPGA 里乘法器占用资源比较多，编译时复杂度高，此处采用键控法进行调制。DBPSK 调制系统结构见图2。

图2 DBPSK 调制系统结构

DPSK 信号的解调方式有两种：一种是相干解调加码反变换法；另一种是差分相干解调，也叫相位比较法，通过对比前后相位差的方式来完成对DPSK 信号的解调。使用差分相干解调法解调时，专门的相干载波和码变换器都不再成为必需，只需要DPSK 信号本身与收到的DPSK 信号延时一个码元间隔相乘，相乘器即可发挥相位比较的作用。前后码元的相位差通过相乘的结果得到反映，此后经过低通滤波器后再抽样判决，即可直接恢复出原始数字信息，解调器中不需要码反变换器。为了实现简单，此处采用相位比较法实现DBPSK 解调，其系统结构如图3 所示。

图3 DBPSK 解调系统结构

3 DBPSK 调制解调二次开发

DBPSK 系统验证以后，需要使用硬件描述语言，在FPGA 芯片上进行开发，此处选用QuartusⅡ软件进行代码编写、编译和仿真。实验时将基带部分中调制和解调模块短接，构成一个闭环子系统开展实验。

3.1 DBPSK 调制开发

在无线通信系统综合实验平台上，基带部分中发射机的第4 个模块M4 实现调制功能，该模块上包括晶振、数模转换器、单片机和FPGA 芯片。FPGA 芯片实现具体的调制功能；晶振为FPGA 芯片提供时钟信号，频率为16.384 MHz；数模转换器为10 位，将FPGA 芯片输出的数字信号转为模拟信号进行传输；单片机控制整个模块的工作，包括上电、调用虚拟仪器、加载文件等。M4的结构如图4 所示。

图4 DBPSK 调制硬件模块M4 结构

DBPSK 调制时需要载波信号，此处使用QuartusⅡ自带的IP 核实现数字控制振荡器（Numerically Controlled Oscillator，NCO），使用晶振提供的时钟信号输出载波信号。DBPSK 调制代码编写完成后，经过编译仿真，将生成的文件加载到无线通信系统综合实验平台上。数据速率为128 Kb/s，载波频率为1 MHz。

3.2 DBPSK 解调开发

基带部分中接收机的第5 个模块M5 实现解调功能，该模块包括晶振、模数转换器、单片机和FPGA 芯片。FPGA 芯片实现信号解调；晶振为FPGA 芯片提供时钟信号，频率为16.384 MHz；模数转换器为10 位，将接收到的模拟信号转换为数字信号，再送给FPGA 芯片进行解调；单片机控制整个模块的工作，包括上电、调用虚拟仪器、加载文件等。M5 的结构如图5 所示。

图5 DBPSK 解调硬件模块M5 结构

DBPSK 调制时需要的载波信号由NCO 实现，同时提供两路正交正弦波信号，低通滤波器使用QuartusⅡ自带的IP 核实现。DBPSK 解调代码编写完成后，经过编译仿真，即可加载到无线通信系统综合实验平台上，调用虚拟示波器。原始信号和解调输出信号示意图如图6 所示。

图6 原始信号与解调输出信号

由于虚拟示波器是在不同的模块中调用，所以可以同时显示2 个示波器。从图6 中可以看出，发送信号经过调制、传输、解调后，恢复出的信号与发送信号数值相同，时间上延迟了4 个时钟周期。

4 结语

通信技术实验教学中商用设备封闭，硬件实验箱设备不稳定，传统实验偏重仿真，与实际脱节。半实物仿真技术结合了硬件实验和软件仿真的优点，在实验教学中有重要作用。DBPSK 调制解调是通信理论与技术的基本内容，在实际使用中是许多调制方式的基础。本文基于自主设计研发的半实物虚拟仿真平台——无线通信系统综合实验平台，使用基带部分发射机的调制模块和接收机的解调模块开展DBPSK 调制解调二次开发实验。采用二进制键控的方式产生调制信号，采用相位比较法进行解调。使用Simulink 进行系统设计，建立调制解调模型，验证系统功能的正确性。使用硬件描述语言，根据模块上器件之间的关系和管脚，编写代码，完成编译和仿真后加载到平台上。结果表明，发送信号经过调制、传输、解调后与原始信号数值相同，时间上延迟了4 个时钟周期。