魏建軍，劉乃安，唐 軍

（西安電子科技大學 通信工程學院，陜西 西安 710071）

0 引言

差分二進制相移鍵控（Differentially Binary Phase Shift Keying，DBPSK）是通信理論與技術(shù)調(diào)制部分最基本的內(nèi)容，是現(xiàn)代通信中最基本的通信方式，涉及到差分編碼、相位調(diào)制等內(nèi)容，也是通信技術(shù)研發(fā)人員必須掌握的知識。因為DBPSK 比較基礎(chǔ)又特別重要，高等學校通信專業(yè)實驗室基本都開展了DBPSK 實驗。有的實驗室采用硬件實驗方式，使用實驗箱進行DBPSK 調(diào)制解調(diào)實驗，實驗箱中面板上的按鈕可以設(shè)置發(fā)射信號的數(shù)據(jù)速率，旋鈕可以選擇調(diào)制解調(diào)時載波頻率，然后使用示波器觀察基帶波形、調(diào)制或解調(diào)后的波形；有些實驗室提供頻譜儀觀察信號調(diào)制過程中頻譜的變換。實驗中可設(shè)置的參數(shù)極其受限，幾乎完全固定操作，動手多動腦少，對知識的理解受限。在課程安排上，學生因課時限制往往分開進行實驗，一個時段內(nèi)只能鞏固某一實驗箱對應的理論知識和實驗技能，對所學的專業(yè)缺乏系統(tǒng)性認識。有的實驗室采用軟件仿真的方式開展DBPSK 調(diào)制解調(diào)實驗，仿真平臺有Matlab/Simulink、SystenView 等，使用軟件提供的差分編碼、調(diào)制解調(diào)等模塊搭建整個調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的參數(shù)、調(diào)制解調(diào)的方式、結(jié)構(gòu)都可自由設(shè)置，提供了最大的靈活性，器件全、仿真效率高。但是軟件仿真處理的完全是理想信號，與實際工程有相當大的差距，真實感不強，不利于培養(yǎng)學生動手實踐能力。

半實物虛擬仿真起源于20 世紀80年代，其能夠減小系統(tǒng)的研究周期以及研究的成本，并且接近于系統(tǒng)的實際狀態(tài)，受到了研究人員廣泛重視。半實物虛擬仿真技術(shù)與計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著緊密聯(lián)系，隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進步，可以在計算機上實現(xiàn)更為復雜的實驗系統(tǒng)，因此半實物虛擬仿真技術(shù)也取得了長足發(fā)展。另外，由于其結(jié)果可信度高、實現(xiàn)成本低，在通信理論與技術(shù)的研究與教學活動中也發(fā)揮著重要作用。

1 DBPSK 調(diào)制解調(diào)及開發(fā)平臺

1.1 DBPSK 調(diào)制解調(diào)

DBPSK 通過前后相鄰碼元的載波相對相位變化表示二進制數(shù)字信息，以達到調(diào)制的目的，載波相位差存在于前后相鄰碼元之間。定義二進制數(shù)字信息與相鄰碼元載波相位差的關(guān)系為Δ，當相位差Δ=0 時，二進制數(shù)字信息表示“0”，而當相位差Δ=π 時，二進制數(shù)字信息表示“1”。通過二進制數(shù)字信息，獲得對應的DBPSK 信號的載波相位關(guān)系，DBPSK 信號（）可以表示為：

式中：為載波頻率；為初始相位。在DBPSK 信號的產(chǎn)生過程中，首先需要對二進制數(shù)字基帶信號進行差分編碼，將表示數(shù)字信息序列的絕對碼變換成包含著相鄰碼元之間相位關(guān)系的相對碼，然后再進行二進制相位調(diào)制。

DBPSK 解調(diào)是從已調(diào)信號中恢復出原始基帶信號的過程，與調(diào)制時相對應，當相位沒有變化時表示二進制數(shù)字信號“0”，當相位出現(xiàn)180°反轉(zhuǎn)時表示二進制數(shù)字信號“1”，從而實現(xiàn)DBPSK 信號解調(diào)。

1.2 半實物虛擬仿真平臺

DBPSK 調(diào)制解調(diào)半實物虛擬仿真采用自主設(shè)計研發(fā)的無線通信系統(tǒng)綜合實驗平臺，該平臺包括無線通信技術(shù)實驗部分和網(wǎng)絡(luò)與管理部分。無線通信技術(shù)實驗部分為學生提供了實驗操作界面，通過瀏覽器與測試儀器開展通信技術(shù)實驗。網(wǎng)絡(luò)與管理部分為教師提供管理平臺的操作，包括各種權(quán)限的設(shè)置、實驗設(shè)備的分配等相關(guān)管理工作。在管理軟件和操作軟件的支持下，既能在現(xiàn)場進行實驗，也能通過網(wǎng)絡(luò)在遠端進行實時操作，開發(fā)或者測試新的實驗項目，適應當前通信理論教學及實驗教學的發(fā)展趨勢。

無線通信系統(tǒng)綜合實驗平臺采用模塊化、積木式方式，包括基帶部分、射頻部分、天線和操作控制部分，如圖1 所示。

圖1 無線通信系統(tǒng)綜合實驗平臺

基帶部分、射頻部分、天線各部分既相互獨立，又可相互結(jié)合，構(gòu)成一個完整的無線通信收發(fā)系統(tǒng)。基帶部分共由8 個模塊構(gòu)成，這8 個模塊可構(gòu)成一個基帶收發(fā)系統(tǒng)，開展基帶通信實驗。每個模塊也可與其他模塊組合構(gòu)成一個閉環(huán)，實現(xiàn)一個通信子系統(tǒng)，進行相應的實驗內(nèi)容。射頻部分也包括8 個模塊，實現(xiàn)射頻收發(fā)功能。每個射頻模塊都預留標準接口，方便插拔與替換，滿足設(shè)計性和開發(fā)性實驗的需求。

無線通信綜合實驗平臺支持二次開發(fā)，進行二次開發(fā)時，首先選擇對應的實驗模塊，完成項目的系統(tǒng)設(shè)計和驗證；然后根據(jù)開發(fā)所使用的FPGA 芯片及其管腳與外部的連接關(guān)系，使用硬件描述語言完成代碼的編寫、仿真和驗證；最后編譯生成二進制文件，并將文件加載到無線通信系統(tǒng)綜合實驗平臺中，使用系統(tǒng)自帶的虛擬儀器或者實際儀器驗證設(shè)計的正確性和性能。

2 DBPSK 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

在DBPSK 調(diào)制解調(diào)開發(fā)之前，先使用Simulink 建立DBPSK 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)模型進行系統(tǒng)設(shè)計，驗證所設(shè)計系統(tǒng)的功能。在DBPSK 信號的產(chǎn)生中，首先對二進制數(shù)字基帶信號進行差分編碼，將表示數(shù)字信息序列的絕對碼變換成包含著相鄰碼元之間相位關(guān)系的相對碼；然后根據(jù)相對碼進行絕對調(diào)相，產(chǎn)生二進制差分相移鍵控信號。二進制絕對調(diào)相有鍵控法和相乘法兩種方式。鍵控法根據(jù)二進制數(shù)字信號，選擇載波的正相位或者負相位進行輸出；而相乘法將雙極性二進制數(shù)字信號與載波進行相乘，乘法器的輸出就是已調(diào)信號。由于在FPGA 里乘法器占用資源比較多，編譯時復雜度高，此處采用鍵控法進行調(diào)制。DBPSK 調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 DBPSK 調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DPSK 信號的解調(diào)方式有兩種：一種是相干解調(diào)加碼反變換法；另一種是差分相干解調(diào)，也叫相位比較法，通過對比前后相位差的方式來完成對DPSK 信號的解調(diào)。使用差分相干解調(diào)法解調(diào)時，專門的相干載波和碼變換器都不再成為必需，只需要DPSK 信號本身與收到的DPSK 信號延時一個碼元間隔相乘，相乘器即可發(fā)揮相位比較的作用。前后碼元的相位差通過相乘的結(jié)果得到反映，此后經(jīng)過低通濾波器后再抽樣判決，即可直接恢復出原始數(shù)字信息，解調(diào)器中不需要碼反變換器。為了實現(xiàn)簡單，此處采用相位比較法實現(xiàn)DBPSK 解調(diào)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 DBPSK 解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 DBPSK 調(diào)制解調(diào)二次開發(fā)

DBPSK 系統(tǒng)驗證以后，需要使用硬件描述語言，在FPGA 芯片上進行開發(fā)，此處選用QuartusⅡ軟件進行代碼編寫、編譯和仿真。實驗時將基帶部分中調(diào)制和解調(diào)模塊短接，構(gòu)成一個閉環(huán)子系統(tǒng)開展實驗。

3.1 DBPSK 調(diào)制開發(fā)

在無線通信系統(tǒng)綜合實驗平臺上，基帶部分中發(fā)射機的第4 個模塊M4 實現(xiàn)調(diào)制功能，該模塊上包括晶振、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、單片機和FPGA 芯片。FPGA 芯片實現(xiàn)具體的調(diào)制功能；晶振為FPGA 芯片提供時鐘信號，頻率為16.384 MHz；數(shù)模轉(zhuǎn)換器為10 位，將FPGA 芯片輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)為模擬信號進行傳輸；單片機控制整個模塊的工作，包括上電、調(diào)用虛擬儀器、加載文件等。M4的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 DBPSK 調(diào)制硬件模塊M4 結(jié)構(gòu)

DBPSK 調(diào)制時需要載波信號，此處使用QuartusⅡ自帶的IP 核實現(xiàn)數(shù)字控制振蕩器（Numerically Controlled Oscillator，NCO），使用晶振提供的時鐘信號輸出載波信號。DBPSK 調(diào)制代碼編寫完成后，經(jīng)過編譯仿真，將生成的文件加載到無線通信系統(tǒng)綜合實驗平臺上。數(shù)據(jù)速率為128 Kb/s，載波頻率為1 MHz。

3.2 DBPSK 解調(diào)開發(fā)

基帶部分中接收機的第5 個模塊M5 實現(xiàn)解調(diào)功能，該模塊包括晶振、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機和FPGA 芯片。FPGA 芯片實現(xiàn)信號解調(diào)；晶振為FPGA 芯片提供時鐘信號，頻率為16.384 MHz；模數(shù)轉(zhuǎn)換器為10 位，將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送給FPGA 芯片進行解調(diào)；單片機控制整個模塊的工作，包括上電、調(diào)用虛擬儀器、加載文件等。M5 的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 DBPSK 解調(diào)硬件模塊M5 結(jié)構(gòu)

DBPSK 調(diào)制時需要的載波信號由NCO 實現(xiàn)，同時提供兩路正交正弦波信號，低通濾波器使用QuartusⅡ自帶的IP 核實現(xiàn)。DBPSK 解調(diào)代碼編寫完成后，經(jīng)過編譯仿真，即可加載到無線通信系統(tǒng)綜合實驗平臺上，調(diào)用虛擬示波器。原始信號和解調(diào)輸出信號示意圖如圖6 所示。

圖6 原始信號與解調(diào)輸出信號

由于虛擬示波器是在不同的模塊中調(diào)用，所以可以同時顯示2 個示波器。從圖6 中可以看出，發(fā)送信號經(jīng)過調(diào)制、傳輸、解調(diào)后，恢復出的信號與發(fā)送信號數(shù)值相同，時間上延遲了4 個時鐘周期。

4 結(jié)語

通信技術(shù)實驗教學中商用設(shè)備封閉，硬件實驗箱設(shè)備不穩(wěn)定，傳統(tǒng)實驗偏重仿真，與實際脫節(jié)。半實物仿真技術(shù)結(jié)合了硬件實驗和軟件仿真的優(yōu)點，在實驗教學中有重要作用。DBPSK 調(diào)制解調(diào)是通信理論與技術(shù)的基本內(nèi)容，在實際使用中是許多調(diào)制方式的基礎(chǔ)。本文基于自主設(shè)計研發(fā)的半實物虛擬仿真平臺——無線通信系統(tǒng)綜合實驗平臺，使用基帶部分發(fā)射機的調(diào)制模塊和接收機的解調(diào)模塊開展DBPSK 調(diào)制解調(diào)二次開發(fā)實驗。采用二進制鍵控的方式產(chǎn)生調(diào)制信號，采用相位比較法進行解調(diào)。使用Simulink 進行系統(tǒng)設(shè)計，建立調(diào)制解調(diào)模型，驗證系統(tǒng)功能的正確性。使用硬件描述語言，根據(jù)模塊上器件之間的關(guān)系和管腳，編寫代碼，完成編譯和仿真后加載到平臺上。結(jié)果表明，發(fā)送信號經(jīng)過調(diào)制、傳輸、解調(diào)后與原始信號數(shù)值相同，時間上延遲了4 個時鐘周期。