2DPSK的調(diào)制解調(diào)及其SystemView仿真

　　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。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。通過(guò) SystemView的分析窗口，能直接觀測(cè)到傳輸過(guò)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。本文以2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)為例，詳細(xì)說(shuō)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(guò)程中的變化。

　　1 2DPSK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。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。

　　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(jiàn)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。

　　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。2DPSK信號(hào)先經(jīng)過(guò)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-1)]。通過(guò)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)。

　　2 基于SystemView的2DPSK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System View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(guò)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(guò)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(guò)觀察點(diǎn)8可以觀察載波波形;設(shè)備4是乘法器，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)設(shè)備19可以觀察經(jīng)過(guò)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。

　　3 基于SystemView的2DPSK仿真分析

　　二進(jìn)制基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)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5為經(jīng)過(guò)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(guò)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6為2DPSK信號(hào)經(jīng)過(guò)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(shuō)是正常的，因?yàn)?DPSK系統(tǒng)要經(jīng)過(guò)差分變換和濾波等過(guò)程，必然會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)傳輸延遲的情況。

　　4 結(jié)論

　　文中使用SyternView構(gòu)建了一個(gè)2DPSK調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)，并通過(guò)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。