一種由差分相移鍵控的數(shù)字調制解調

一種由差分相移鍵控的數(shù)字調制解調

0數(shù)字通信系統(tǒng)中的數(shù)字調制與解調技術眾所周知，數(shù)字調度和解調技術在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。數(shù)字通信技術采用數(shù)字技術進行加密和差錯控制,便于集成,因此數(shù)字通信具有模擬通信不可比擬的優(yōu)勢。數(shù)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?shù)摹１仨殞?shù)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(shù)字基帶信號的頻譜進行變換的過程稱為數(shù)字調制。而在接收端將調制后的信號還原為數(shù)字基帶信號的過程稱為數(shù)字解調。在數(shù)字通信系統(tǒng)中,常用的數(shù)字調制與解調技術主要有幅移鍵控ASK(amplitudeshiftkeying)、頻移鍵控FSK(frequencyshiftkeying)、相移鍵控PSK(phaseshiftkeying)等,還有改進型的和復合的數(shù)字調制方式(QAM,MQAM,QPSK等)。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基于5g的軟件設計這里用虛擬儀器軟件Labview8.0。虛擬儀器(virtualinstrument)是基于計算機的儀器。使用較為廣泛的開發(fā)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(yè)界、學術界和實驗室所接受,視為一個標準的數(shù)據(jù)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(frontpanel)、框圖(blockdiagram)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(shù)(Functions)模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。工具模板提供了各種用于創(chuàng)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(chuàng)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(xiàn)功能模板。22psk相移鍵控由于傳輸失真,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(shù)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(xiàn)代通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調制技術。數(shù)字基帶信號對載波的某些參數(shù)進行控制,使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化。數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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。由于相移鍵控的抗噪聲性能優(yōu)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(yōu)越的調制方式。因而在現(xiàn)代數(shù)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(xiàn)“相位模糊”或“倒相”問題。例如,當恢復的相干載波產生180uf06f倒相時,解調出的數(shù)字基帶信號將與發(fā)送的數(shù)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(xiàn)象通常稱為“倒∏”現(xiàn)象。所以2PSK信號的相干解調存在隨機的“倒∏”現(xiàn)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(tǒng)主要實現(xiàn)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(shù)字信號的“1”碼和“0”碼,這時載波信號的相位與數(shù)字信號的“1”碼和“0”碼之間沒有固定的對應關系。二進制差分相移鍵控2DPSK,其對應的數(shù)學表達式為:SDPSK(t)A=?B(t)?sin(ωct),其中是具有一定波形形狀的二進制序列(二元基帶信號),na=±1,sT指時間間隔,g(t)是調制信號的時間波形。由于2PSK在調制解調過程中會出現(xiàn)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(shù)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(guī)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(shù)字解調是數(shù)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(yōu)于非相干解調的性能。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(yōu)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。32dpsk調解模塊的分析和設計3.12dpsk相乘結果信號的分析本論文中,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。絕對碼序列{na}和相對碼序列{nb}之間的關系如下:b=nbn-1⊕an,a=nbn-1⊕bn當絕對碼的前一碼元是高電平1,后一碼元是低電平0時,則相對碼元依然保持為前一碼元的高電平1,只有在絕對碼的后一碼元為高電平1時,相對碼元才由1變成0或者由0變成1.因此,本論文中,輸入原始二進制碼序列1001110100時,則根據(jù)編碼規(guī)則,遇1跳變,遇0保持,經過差分編碼后得到相對碼序列1110100111。解調原理是以調相時的規(guī)律為依據(jù)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。3.22c-dpsk調解模塊的設計3.2.1設計調用和調整器模塊的框圖程序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:3.2.1.數(shù)字濾波器vi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(shù)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(shù)字濾波器兩大類,在虛擬儀器中使用數(shù)字濾波器。其中,數(shù)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(xiàn)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(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器以數(shù)值計算的方法來實現(xiàn)對離散化信號的處理,與模擬濾波器相比,具有精度高、穩(wěn)定性好、功能強等優(yōu)點。這里選用巴特沃茲(Butterworth)數(shù)字濾波器,注意它的參數(shù)設置。濾波器類型指定濾波器是高通、低通、帶阻還是帶通?！?”為低通,“1”為高通,“2”為帶通,“3”為帶阻。fh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(shù);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(shù)字濾波器。3.2.2.控制流vi模塊化編程和數(shù)據(jù)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(zhí)行每一個子VI,因而易于調試和驗證。數(shù)據(jù)流編程:由可執(zhí)行節(jié)點組成的編程系統(tǒng)。這些節(jié)點僅當它們接收到所有必需的輸入數(shù)據(jù)后才執(zhí)行,并且當它們執(zhí)行完成后自動地產生輸出(或數(shù)據(jù)才流出節(jié)點)。數(shù)據(jù)流的概念與常規(guī)程序執(zhí)行時的控制流方法完全不同。傳統(tǒng)的順序代碼是指令驅動的,而VI的數(shù)據(jù)流則是數(shù)據(jù)驅動的?；蛘哒f,程序的執(zhí)行是由數(shù)據(jù)流控制的,而不是按照代碼行的順序線性執(zhí)行。3.2.2.快速構建的視頻處理ExpressVI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(xiàn),因此它是所需連線最少的節(jié)點。它為Functions選項板中藍色背景的可擴展節(jié)點圖標。注意,編程過程中:(1)優(yōu)先使用;(2)ExpressVI處理的數(shù)據(jù)類型為動態(tài)數(shù)據(jù)類型。這里采用了simulatesignal的ExpressVI,產生載波正弦信號。3.2.2.vi的生成過程MathScript是一種高級編程語言,它是LabView的一項新特性。MathScript將面向數(shù)學的文本編程加入到LabView中。有兩種MathScript實現(xiàn)方法:MathScript交互式窗口和MathScript節(jié)點。可在英文版LabView8.0中實現(xiàn),目前在中文版的LabView軟件中,此功能不能用。有了MathScript,在LabView環(huán)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(jié)點),開發(fā)者可根據(jù)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(zhí)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。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?？梢詫⑷魏我粋€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(shù)據(jù)了。連接器從輸入端子接收數(shù)據(jù),并在VI執(zhí)行完成時將數(shù)據(jù)傳送到輸出端子。有兩種基本方法可以創(chuàng)建和使用子VI:由VI創(chuàng)建子VI和選定內容創(chuàng)建子VI。⑴由VI創(chuàng)建子VI:具體操作:在流程圖中打開Functions?SelectaVI….,就可以選擇要調用的子VI。⑵選定內容創(chuàng)建子VI:具體操作:在框圖中選中一部分,從Edit菜單中選擇CreateSubVI,一個默認子VI圖標將代替所選對象組。使用這種選擇方法創(chuàng)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(shù)SubVI,實現(xiàn)了模塊化編程。3.2.2.條件數(shù)字污染while循環(huán)While循環(huán)可以反復執(zhí)行循環(huán)體的程序,直至到達停止的條件。While