2PSK與2DPSK調制解調系統的仿真設計與分析

曾光，任峻（湖南農業大學 信息科學技術學院，湖南 長沙　410128）

2PSK與2DPSK調制解調系統的仿真設計與分析

曾光，任峻
（湖南農業大學 信息科學技術學院，湖南 長沙410128）

本文介紹了2PSK與2DPSK調制解調的基本原理，采用Systemview軟件構建2PSK與2DPSK調制解調仿真系統，通過Systemview分析窗口分析接收方載波反相和不反相時信號在這兩個仿真系統中的波形變化，直觀地顯示了2PSK信號的“反相工作”現象和2DPSK信號消除"反相工作"的原因：2DPSK解調輸出為2PSK解調輸出的差分譯碼，當接收方載波反相時，2PSK解調輸出電平與正常解調輸出完全相反（"反相工作"現象），但它們電平改變的位置相同，因此通過差分譯碼后得到的2DPSK的解調輸出與正常解調輸出相同。

SystemView仿真；2PSK和2DPSK調制解調；反相工作；子系統

數字調制系統是通信系統中常見的一種，也是很多數字系統的基礎。常見的數字調制有2PSK、2DPSK、2ASK、2FSK。而2PSK與2DPSK的抗噪聲能力最強，因此常用于高速數字通信系統。本文首先分析了2PSK調制解調原理，并指出2PSK“反相工作”產生的原因以及2DPSK能去除“反相工作”的原因。然后，我們構建了2PSK與2DPSK的仿真系統，分析信號通過系統各點處的波形，通過波形比較直觀說明2PSK“反相工作”產生的原因以及2DPSK消除“反相工作”的原因。本文中使用一種常見的通信系統設計及仿真的軟件Systemview構建2PSK 與2DPSK的仿真系統并對信號進行波形分析［1］。通過軟件，用戶可通過連接圖符構建各種通信系統的仿真系統，通過分析窗口，用戶對信號進行時域、頻域和抗噪聲性能的分析，并以波形圖、頻譜圖、眼圖、誤碼率等形式給出分析結果。

1　2PSK調制與解調

2PSK相位鍵控是利用載波的相位變化來傳遞數字信息，而振幅和頻率保持不變，在2PSK中，通常用初始化相位0和π分別表示二進制“0”和“1”。發送二進制符號“0”時，取0相位，發送二進制符號“1”時，取π相位，這種以載波的不同相位直接去表示相應二進制數字信號的調制方式，稱為二進制的絕對相移方式［2-4］。2PSK信號表示如下，其中｛an｝為發送的二進制碼元序列。

顯然2PSK信號為二進制碼元的雙極性碼與載波cosωct的乘積。2PSK信號產生通常采用鍵控法，而解調通常采用相干解調法，其調制解調原理框圖如圖1所示。

圖1（b）接收方解調器處的載波cosωct是通過載波恢復得到的，但在其過程中可能會出現180°的相位模糊，即可能是cosωct也可能是-cosωct。顯然，當載波為-cosωct時，通過乘法器輸出取為-e2PSK（t）×cosωct，通過低通濾波器輸出為｛-an｝的雙極性碼，判決器輸出端是｛-an｝，這就是“反相工作”現象。

帶通濾波器的作用是僅使2PSK信號通過，屏蔽2PSK信號頻帶外的噪聲，從而提高信噪比。因此其設置與2PSK信號的頻帶設置一致。低通濾波器的作用是屏蔽高頻部分，獲得低頻的雙極性碼。因此其設置與雙極性碼的頻帶設置一致。抽樣判決器對輸入的雙極性碼進行抽樣判決，其判決門限為0，抽樣頻率為雙極性碼元速率RB，以保證每個碼元進行且只進行一次抽樣［3］。

2　2DPSK的調制與解調

2PSK是根據載波的絕對相位來表示數字信息，而2DPSK則是根據載波的相對相位，即前后相鄰碼元的載波相位是否發生變化來表示數字信息。假設Δφ為當前碼元an與前一碼元an-1的載波相位差，則an與Δφ的關系為：

與2PSK類此，數字信息的相對碼同樣是用前后相鄰碼元的電平是否發生變化來表示數字信息，因此碼元序列｛an｝的相對碼所對應的2PSK信號與｛an｝的2DPSK信號相同。由此，我們可以得到2DPSK信號的調制解調原理框圖如圖2所示。

圖2　2DPSK信號調制解調原理框圖

3　2PSK與2DPSK仿真系統的構建

數字信號的第n個碼元an的差分碼bn為an與前一個差分碼bn-1的異或，二進制碼元序列｛an｝與其差分碼序列｛bn｝存在以下關系［2-6］：

因此，差分碼編碼器與譯碼器由異或門XOR和一個碼元的延時器組成。

在使用Systemview構建2PSK仿真系統時，我們采用鍵控法得到2PSK信號，采用相干解調對其進行解調，根據圖1的原理框圖，構建仿真系統如圖3所示［5］，其中圖符0是信號源庫中的 “偽隨機序列PN Seq”，其參數f=50 Hz，Am=1 V，phase=0deg，offset=0，產生碼元速率為50波特，幅度為1v的雙極性碼。子系統80是根據圖1（b）原理框圖設計的2PSK調制子系統，其仿真系統及參數設置如圖4所示；子系統110是根據圖2原理框圖設計的2PSK解調子系統，其仿真系統及參數設置如圖5所示。我們根據圖3設計了2DPSK仿真系統，子系統33和43分別為差分編碼和譯碼子系統，其仿真系統及參數設置如圖6所示；子系統36和39分別為2PSK調制和解調子系統，設置與子系統80和110相同。使用System View軟件仿真時首先要做系統定時，本模型中，系統時間設置為采樣點數為201，采樣頻率為1 000 Hz。

圖3　2DPSK調制解調仿真系統

4　2PSK與2DPSK波形仿真分析

圖7為2DPSK信號和2PSK信號與基帶信號 ｛an｝的比較，從圖7（a）中可以看出2DPSK信號是用相對相位即相位是否改變表示1，0：｛an｝為“1”時，前后兩個碼元的相位差為π，｛an｝為“0”時，相位差為0；從圖7（b）中可以看出2PSK是采用絕對相位來表示1，0：｛an｝為“1”時，表示相位為π，｛an｝為“0”時，表示相位為0。

圖8分析了在接收方載波反相時，信號在2DPSK調制解調系統傳輸過程中的波形變化過程。其中，圖8（a）比較了2DPSK系統中發送方差分編碼器的輸出波形 （即2PSK調制子系統輸入碼元）與接收方差分譯碼器的輸入波形（即2PSK解調子系統的輸出碼元），這兩種波形正好相反。這是由于解調器的載波與發送方載波反相造成的。圖8（a）直觀顯示了2PSK調制解調系統在接收方載波反相時會出現 “反相”現象。圖8（b）比較了基帶信號｛an｝與解調后的2DPSK信號，這兩種波形正好相同。這是因為2DPSK的解調信號為2PSK解調信號的差分譯碼，而差分碼是用電平是否改變表示1、0，當載波反相時，差分譯碼器的輸入波形（即2PSK解調信號）雖然完全相反，但它們電平改變的位置相同（如圖8（a）所示），因此其譯碼，即2DPSK的解調輸出相同。通過圖8的波形比較，我們可以直接看到2PSK信號的“反相工作”現象，以及2DPSK信號去除“反相工作”現象的原因。

圖4　2PSK調制子系統

圖5　2PSK解調子系統

圖6　差分編碼子系統和差分譯碼子系統

圖7　2DPSK信號和2PSK信號與基帶信號的波形比較

圖8　接收方載波反相時，信號在2DPSK調制解調系統傳輸過程中的波形變化

5　結　論

文中通過Sytem View構建仿真系統并分析波形，我們得出2DPSK調制解調就是在2PSK調制解調的基礎上加入了差分編碼與譯碼的過程，根據前后相位變化來表示數字信息，因此能克服2PSK的相位模糊現象，故2DPSK較于2PSK被廣泛應用。

［1］孫屹，戴妍峰.System View通信仿真開發手冊［M］.北京:國防工業出版社，2004.

［2］樊昌信，曹麗娜．通信原理［M］．6版.北京:國防工業出版社，2006．

［3］常君明，顏彬.數字通信原理［M］.北京：人民郵電大學出版社，2009.

［4］何婷婷，任峻.2DPSK的調制解調及其System View仿真［J］.電子設計工程，2015（9）:116-118.

［5］陳木生，林順達，朱志攀.System View在《通信原理》實驗課程中的應用［J］.實驗科學與技術，2011，9（6）:40-42．

［6］籍飛月，鄭羽.DPSK數字調制系統的設計與實現［J］.計算機技術與發展，2013（9）:155-157，161.

Simulation and analysis of 2PSK and 2DPSK modulation and demodulation system

ZENG Guang，REN Jun
（College of Information Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

The paper introduces the basic principles of modulation and demodulation for 2PSK and 2DPSK and builds their simulation system on System View.By using the analysis window of System View，we can analyze waveform changes in the two simulation systems when carrier wave is in phase and out of phase，which intuitively show the reason of"reverse phase work" in 2PSK system and the reason that 2DPSK system can remove"reverse phase work":The 2DPSK demodulator output is the differential decoding of the 2PSK demodulator output.The 2PSK demodulation output when the receiver carrier out of phase is completely contrary to that when the receiver carrier is in phase（this is"reverse phase work"in 2PSK），and their electrical level changes are in the same position.Therefore，after differential decoding of 2PSK demodulator output，2DPSK demodulation output when the receiver carrier out of phase is as same as that when the receiver carrier is in phase.

simulation based on System View；2PSK and 2DPSK modulation and demodulation；reverse phase work；Meta System

TP302

A

1674－6236（2016）11-0078-03

2015-06-23稿件編號：201506212

曾 光（1995—），男，湖南婁底人。研究方向：通信工程。