基于LabVIEW的OPSK调制解调实验系统设计

虚拟仪器技术　Ｅ电子测试　ＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＴＥＳＴ　第Ｏ２０１３一年２Ｏ４期　月　基于ＬａｂＶ　Ｉ　ＥＷ的ＯＰＳＫ调制解调实验系统设计　李蓉李善姬　（延边大学工学院，吉林延吉１　３　３００２）　摘要：ＬａｂＶｌＥＷ是一个基于图形化编程的虚拟仪器软件平台，使用可视化技术建立良好的人机界面，是一个十分有效的虚拟　仪器。本文主要介绍了数字通信中ＱＰＳＫ调制解调的原理，同时针对目前高等理工科院校实验室条件的不足，在ＬａｂＶＩＥＷ８．６的　平台上提出了一种应用于实验室的ＱＰｓＫ调制解调系统，采用ＬａｂＶＩＥＷ中虚拟模块进行编程和实验。实验结果证明该系统能灵　活地控制随机信号的ＱＰＳＫ调制与解调，同时学生通过观察实验结果能进一步了解ＱＰＳＫ调制的性能优势。　关键词：ＬａｂＶｌＥＷ；ＱＰＳＫ；调制解调　中图法分类号：ＴＮ７６１．８文献标识码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＱＰＳＫ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＬａｂＶＩＥＷ　Ｌｉ　Ｒｏｎｇ，Ｌｉ　Ｓｈａｎｊｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｂｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｊｉ，Ｊｉｌｉｎ，１３３００２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＬａｂＶＩＥＷ　ｉＳ　ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，ＵＳｉｎｇ　ｖｉ　ｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　ａ　ｇｏｏｄ　ｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉＳ　ａ　ｖｅｒｙ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．ＴｈｉＳ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＱＰＳＫ　ｍｏｄｕｌａｒｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｉｎｓｕｆｆｉＣｉｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ＱＰＳＫ　ｍｏｄｕｌａｒｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ＬａｂＶＩＥＷ８．６　ｐｌａｔｆｏｒｍ，ＵＳｉｎｇ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｉｎ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｔｏ　ｐｒｏｇｒａｍ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｆｌｅｘｉｂｌＹ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｎｄｏｍ　Ｓｉｇｎａｌ　ＱＰＳＫ，ａｎｄ　ｓｔｕｄｅｎｔＳ　ｃａｎ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＱＰＳＫ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬａｂＶＩＥＷ：ＯＰＳＫ；Ｍｏｄｕｌａｒ　ｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｍｏｄｕｌａｔ　ｉｏｎ　０　引言　仪器长年得不到维修更新或使用受到实验条件限制，　随着通信业务的迅猛发展，移动用户群的持续增　学生很难得到丰富的实验结果，这将会影响学生对先　长，相关的新兴业务层出不穷，移动通信体系需要及　进技术的学习和掌握　。　时适应甚至超前于市场需求的步法。因此，作为移动　本文设计的基于ＬａｂＶｌＥＷ的ＱＰＳＫ调制解调实验　通信核心技术之一的调制解调技术成为实现高速高　系统充分发挥虚拟仪器的先进性，用软件替代硬件实　效的通信系统的重要保证ｕ　。ＱＰＳＫ是目前在数字信　验系统，能有效改善目前高校实验室的不足，更好地　号的调制方式中最常用的一种卫星数字信号调制方　提高学生理解和学习的能力。本文详细介绍了ＱＰＳＫ　式，它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电　调制解调技术的基本原理和调制解调框图，并使用　路上实现也较为简单的优点　。　ＬａｂＶＩＥＷ进行编程，实现调制解调模块的功能，本文　所设计的基于ＬａｂＶＩＥＷ的ＱＰＳＫ调制解调实验系统可　现代调制解调的相关课程理论性较强，学生在学　以用在本科生实验教学或研究生教学领域中，将会具　习中普遍反映该课程理论深奥，因此高等理工科院　有广泛的应用性。本系统具有良好的用户界面，前面　校为了提高学生理论联系实际的能力，使用实践环节　板进行信号波形观察界面同硬件实验室里的示波器　配合理论教学来加深学生对理论知识的理解。传统的　是一样的，前面板中各种仪器外观都会让人一目了　做法是借助于硬件实验设备，实验项目大多是验证性　然，可以灵活调节各个参数；同时在程序框图界面中　的，而且项目有限，若要增加新的实验内容，则需改进　数据流的执行过程也是可以观测的，可以灵活控制实　实验设备或是重新购买　。但是由于经费不足，各种　验进程。　・４１・　电子测试　调制，相加后得到ＱＰＳＫ调制信号。ＱＰＳＫ同相支路和　正交支路可分别采用相干解调方式解调，得到Ｉ（ｔ）　为了使基带信号更好地利用信道进行传输，承载　信息的原始信号必须经过调制才被发射出去，而调制　和Ｑ（ｔ）。经抽样判决和并／串变换器，将上、下支路　得到的并行数据恢复成串行数据。　技术的好坏直接影响到通信性能和频谱资源的利用。　１．２　ＯＰＳＫ解调原理　ＱＰＳＫ调制是一种具有较高频带利用率和良好抗干扰　在ＱＰＳＫ解调中，正交支路和同相支路分别设置　能力的调制方式，在恒参信道下，它的抗干扰能力优　两个相关器（或匹配滤波器），得到Ｉ（ｔ）和Ｑ（ｔ），经电　于ＦＳＫ、２ＰＳＫ、ＡＳＫ等调制技术，而且能更经济有效　平判决和并／串变换后即可恢复原始信息　。　地利用频带，适合回传通道的技术要求，因此被广泛　乘法器　一一一　低通滤波＿＿—　抽样判决一　应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的　１　ＱＰＳＫ调制解调原理　——　＾　…　调制解调方式　。　１．１　ＱＰＳＫ调制原理　ＱＰＳＫ调制解调是利用载波的四种不同相位差来　表征输入的数字信息，是四进制的移相键控。ＱＰＳＫ　是在Ｍ＝４时的调相技术，它规定了四种载波相位，分　别为兀／４、３ｎ／４、５ｘ／４、７ｎ／４、调制器输入的数据　是二进制数字序列，只有把二进制数据变换为四进制　数据，才能把二进制数字序列和四进制的载波相位配　合起来，也就是需要把二进制数字序列中每两个比特　分成一组，共有四种组合，即Ｏ０、０１、１０、１１，我们　称其中的每一组为双比特码元。每两位二进制信息比　特组成一个双比特码元，分别代表四进制四个符号中　的一个符号，ＱＰＳＫ中每次调制可传输２个信息比特，　这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调　器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发　送端发送的信息比特。　图１　ＱＰＳＫ相干解调框图　数字调制用“星座图”来描述，星座图中定义了一　种调制技术的两个基本参数：（１）信号分布；（２）与　调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座　点与传输比特间的对应关系，通常称这种关系为“映　射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全　定义，即可由星座图来完全定义　。在ＱＰＳＫ调制中，　ＱＰＳＫ信号可以看作两个载波正交的２ＰＳＫ调制器构　成。串／并变换器将输入的二进制序列分为速率减半　的两个并行的双极性序列，然后分别对ｓｉｎｔｏｔ和ｃｏｓ（ｏｃｔ　・４２・　ｃｏｓｗｃｔ　定　时　载波提取　输＾—　——一　数　Ｊ　并串变换一十据　ｉ一一］　＾　输　　Ｉ９０度相移　【　出　芷　　ｉｍｎ　乘法器　低通滤波卜　，抽样判决　图２　ＱＰＳＫ相干解调框图　从发射机发射的已调信号经过传输媒质传播到　接收端，接收机接收到的已调信号为：　脒（ｆ）＝Ｉ（ｔ）ｃｏｓＯ３Ｊ＋Ｑ（ｔ）ｓｉｎｍＪ（１）　Ｉ（ｔ）、Ｑ（ｔ）分别为同相和正交支路，ＣＯ　为载波　频率，那么相干解调后，同相支路相乘可得：　ｌｉ　）＝　（ｆ）ｃｏｓ　ｌ，　）ｃｏｓ∞　ｆ＋Ｑ　）ｓｉｎ（ｏｆｆ　ｌｃｏｓ　ｔ：　一—Ｉ（ｔ）ｃｏｓ２ＣＯＪＱ——（ｔ）ｓｉｎ２￣ｏ￣ｔ　—２　２　２　（２）　正交支路相乘可得：　Ｑ　）＝　Ｑ尸　）ｓｉｎｃｏ。ｆ　ｌ，　）ｃ。ｓ　ｒ＋Ｑ（ｆ）ｓｉｎ０）ｃ　ｓｉｎｏ）ｃｒ＝　／　３　，　）ｓｉｎ０３ｃｔｘ　ｃｏｓＯ３ｃｔ＋Ｑ　）ｓｉｎｚ　ＣＯ＼，　ｆ＝　ｃｉＯ）ｓｉｎ２ｏ）ｃ　ｏ（ｔ）Ｑ（ｔ）ｃｏｓ２６０ｔ．。、　２　。　２　２　经过低通滤波器可得：　）＝　２　ＯＰＳＫ调制解调实验系统设计　ＬａｂＶＩＥＷ是美国国家仪器（ＮＩ）公司研制开发的　一种图形化编辑语言，是面向最终用户的工具，允许　技术人员、科学家、工程师利用所熟悉的术语、图标和　概念构建自己的科学和工程系统，并且可以大大提高　工作效率旧　。ＬａｂＶＩＥＷ具有友好的工作界面，广泛应　用于工业界、学术界和研究实验室，被视为一个标准　的仪器控制和数据采集软件。ＬａｂＶｌＥＷ提供了多种　电子测试　５结论　２００８．　本设计的核心硬件由低功耗，低成本的　湿度测控仪设计［Ｊ］．机电工程２０１１：２８（４）：４９３—　ｎＲＦ２４ＬＯ１芯片和单片机实现，系统电路板宽度小于　４９９　１．５ｃｍ，工作电流小于２０ｍＡ。具有较强的抗干扰能力，　［６］　黄智伟．全国大学生电子设计竞赛系统设计［Ｍ］．　并体现了低功耗、体积小等优点。本测量方案可以非　北京：航空航天出版社，２０１１．　常灵活，实现模块化，所设计的同一块ＰＣＢ可以移植　［７］　谭晖．Ｎｏｒｄｉｃ中短距离无线应用入门与实践［Ｍ］．　到许多电阻应变片传感器的设计中去。　北京：北京航空航天大学出版社，２００９．　［８］　刘志平，赵国良．基于ｎＲＦ２４Ｌ０１的近距离无线数据　［５］　付华圆．邹洪波．鲁仁全．基于ＭＳＰ４３０Ｆ１４９的温　参考文献　［１］　马迅，胡振华，张胜兰．连杆强度和刚度的三维有限　元分析［Ｊ］．湖北汽车工业学院学报，２００３：１　１．　［２］　吴峻，陈宇，张伟宁，黄文君．高精度应变信号采集　传输［－『］．应用科技，２００８，３５（３）：５５—５８．　作者简介　王峰（１９８７－）男硕士研究生，主　模块的设计［Ｊ］．化工自动化及仪表，２０１２第５期：　６ｌ５—６１８．　要研究方向为信号与信息处理。　［３］　黄俊杰，毛晓波，黄云峰．基于多路∑一Ａ／Ｄ转换器　的同步数据采集系统［Ｊ］．电测与仪表，２００４，４１（７）：　２２—２５．　［４］　沈建华，杨艳琴．ＭＳＰ４３０系列１６位超低功耗单片机　原理与实践［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，　（上接第４３页）　３结束语　［５］　高雪平，官伯然，汪海勇．ＱＰＳＫ调制解调的系统仿真　实验［Ｊ］．杭州电子科技大学学报，２００６，２６（５）：　本文采用ＬａｂＶｌＥＷ虚拟仪器软件进行ＱＰＳＫ调制　５２—５５．　解调实验系统的设计，充分发挥虚拟仪器的先进性，　［６］　路布新．基于ＦＰＧＡ的全数字ＱＰＳＫ通信系统的研　用软件替代硬件实验系统，能更灵活地控制随机信号　究［Ｄ］．南京：南京理工大学，２００６：６—９．　的ＱＰＳＫ调制与解调，同时通过观察ＱＰＳＫ的功率谱、　［７］　杨东亮，罗志强，许家栋．高码速率ＱＰＳＫ解调器的　星座图、眼图可以使学生进一步了解ＱＰＳＫ调制的特　设计［Ｊ］．航空计算技术，２００８，３８（２）：１Ｏ４—１０６．　点和性能优势，能有效改善目前高校实验室的不足，　［８］　Ｗａｇｎｅｒ　Ｃ，Ａｒｍｅｎｔａ　Ｓ，Ｌｅｎｄ１　Ｂ．Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　更好地提高学生理解和学习的能力。　ａｕｔｏｍａｔｅｄ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ＳＣｉｅｎｔｉｆｉＣ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ　ＵＳｉｎｇ　ＬａｂＶｌＥＷ［Ｊ］．Ｔａｌａｎｔａ，２０１０，　参考文献　８０（３）：２８——３４．　［１］　郑旭阳．高阶ＱＡＭ载波恢复算法研究及＠ＡＭ测试仪　实现［Ｄ］．西安：西安电子科技大学，２００６，８—１１．　［２］　刘秀兰，王淑敏．基于软件无线电的ＱＰＳＫ调制的设　计［Ｊ］．计算机仿真，２００８，２５（１１）：３０９—３１１．　［３］　裘伟廷．基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟仪器和虚拟实验［Ｊ］．　现代科学仪器，２００２，３：２０—２３．　［４］　徐现岭．现代通信系统调制解调的基本技术和实现　方法［Ｄ］．西安：西安电子科技大学，２００８：３—４．　作者简介　李蓉，延边大学硕士研究生，丰要研　究方向为信号处理及其应用技术。　Ｅ－ｍａｉ　ｌ：ｌ　ｉｒｏｎｇ０５０９＠１６３．ｃｏｍ　・５４・