基于PCM 和基帶傳輸對通信系統(tǒng)的設計

張家偉

（重慶交通大學，重慶 400000）

1 設計目的和要求

設計目的和要求具體如下：

（1）了解通信原理在實際生活中的應用；

（2）了解通信系統(tǒng)的實現過程；

（3）整個系統(tǒng)能夠完成預期的信號處理的要求；

（4）系統(tǒng)所需實現的功能均能夠正常流暢地實現；

（5）能夠在示波器上明顯地觀察出經PCM 處理的信號；

（6）能夠有效地對PCM 編碼輸出地碼流進行FSK 調制.

2 設計條件

設計條件包括個人PC、e-labsim、Visual Studio2017。

3 系統(tǒng)設計

3.1 基本原理簡述

3.1.1 PCM 概要解釋

現實中，距離稍長的信號傳輸都是需要用數字信道傳輸的，但是很多信號都是模擬信號（如話音），因此就要實現將模擬信號數字化來實現通信。這就是PCM 的目的所在。

PCM 各部分作用和概念解釋如下。

抽樣：將時間連續(xù)的模擬信號由一系列時間離散的樣值取代的過程。

量化：將幅值離散化。

編碼：將量化后的電平用二進制來表示。

每兩個抽樣值的時間間隔稱作抽樣間隔Ts，抽樣信號的頻率稱為抽樣頻率fs，fs的選取是有講究的，其要滿足低通抽樣定理。

3.1.2 雙極性碼概要解釋

二進制比特流往往是0 和1 交替出現，之所以叫雙極性碼是因為1 的幅值有+1 和-1 之分，實際應用碼型中的AMI 碼和HDB3碼都是雙極性碼。

3.1.3 FSK 的概要解釋

利用基帶信號控制載波的參數，使載波的參數攜帶基帶信息，這就是數字調制的基本概念。FSK 是頻移鍵控的調制方式，根據二進制信號的不同幅值控制載波的頻率。往往用開關鍵控法來實現此種調制方式。當數字信號為1 時，載波是頻率為f1的信號，數字信號為0 時，載波是頻率為f2的頻率。

3.2 系統(tǒng)設計原理

3.2.1 e-labsim 構圖及解釋

圖1 為e-labsim 仿真構圖。

圖1 e-labsim 仿真構圖

靠近左邊的是三個信號發(fā)生器和一個主控模塊，信號發(fā)生器從上至下依次是：抽樣信號的方波信號發(fā)生器、2FSK 的正弦載波1 信號發(fā)生器、2FSK 的正弦載波2 信號發(fā)生器。主控模塊提供本次系統(tǒng)處理的基帶信號，其是一個正弦信號。二次開發(fā)板是核心器件，用于執(zhí)行系統(tǒng)的算法，算法由Visual Studio 生成的DLL文件導入。通過IN 和OUT 接口來對輸入的信號進行算法處理和輸出處理后的調制和解調。剩下的5 個示波器用來顯示所需顯示的信號。

3.2.2 抽樣部分的設計

在e-labsim 中，主控&信號源模塊引出模擬信號源A-OUT，接到二次開發(fā)模塊IN1，用信號發(fā)生器產生頻率16 kHz、峰值為5 V 的方波信號作為抽樣信號。當抽樣信號的值滿足非0 的條件下，OUT 端口就輸出IN1 端口的信號幅值，否則，OUT 端口輸出的信號的幅值就為0。

圖2 為抽樣原理圖。

圖2 抽樣原理圖

根據抽樣定理，抽樣頻率要大于信號最高頻率的兩倍，從抽樣的結果來看，抽樣頻率16 kHz 是滿足要求的。

3.2.3 量化部分的設計

PCM 中量化是緊緊跟著抽樣部分的，抽樣后的幅值是連續(xù)的，取值有很多種可能，在本系統(tǒng)中，設置輸入的幅值不超過2 V。因此，對-2～+2 V 進行了21段量化。量化表1 如所示。

表1 量化值表

在工程文件中，程序對編碼后OUT1 輸出的值所落的區(qū)間進行判別，返回區(qū)間中點值作為量化電平值。在OUT2 端口進行輸出。

3.2.4 編碼的原理設計

從表1 自行設計的編碼規(guī)則中可知：一共只有21段，沒有設置段落碼，只設置了極性碼和段內碼，將所有量化電平都看作為同一段落內的。

編碼原理解釋如下：

a1=1 時，代表得到的量化值是非負的，反之a0= 0，代表得到的量化值是正的。

在編程中，量化值的編碼值放置在record[]數組中，全局整型變量pg 存放量化值對應的位置段值。record[]數組中的值對應十進制變量pg的二進制數值。

3.2.5 雙極性碼的設計原理

雙極性碼是體現在信號值“1”上的，當前“1”的極性是與前一個“1”的極性相反的，因此在程序中設計一個標記變量即可。

基于當前record[]數組里的值，設計思想如下。

若record[index]值為1：

若record[index]的值為0，輸出也為0。

其中，FC是全局標記變量，若FC為1 則標志著前一個1 極性為負，則當前輸出1 的極性為正，同時將標記變量FC修改為0，代表輸出了極性為正的“1”。

若FC為0，則標志著前一個1 極性為正，則當前輸出1 的極性為負，同時將標記變量FC修改為1，代表輸出了極性為負的“1”。

3.2.6 2FSK 的設計原理

此模塊功能是針對PCM 編碼后的碼流來實現的，若碼流中的比特值為1，輸出頻率為f1（如2 000 kHz） 的載波，若碼流中的比特值為0，輸出頻率為f2的載波。

輸出的信號是從二次開發(fā)板中的OUT4 端口輸出的。即：

不同頻率的載波由函數信號發(fā)生器來得到。

4 詳細設計與編碼

4.1 設計方案

設計思路具體如下。

主控模塊提供一個正弦波，輸入到IN1 口，函數信號發(fā)生器模塊提供一個采樣信號，輸入到IN2 口，當IN2 口的信號滿足一定條件時，在當前的程序運行周期中實施對IN1 口信號的采樣；根據預先設置好的量化值表對抽樣值進行量化，取他所落區(qū)間的中值作為量化結果；量化部分由子功能函數來實現，通過返回值的方式來對OUT 口進行輸出；對于編碼，同樣利用子功能函數Code（）來實現，根據量化值所落的位置段這一信息反應在了全局整型變量pg，然后對全局整型變量pg 進行二進制轉化，將轉化結果存在record[]數組中。為了防止溢出，程序中對下標變量cnt 進行取余操作。在運行周期里，OUT 口會對record[]數組里的內容進行輸出。針對輸出的值為0 還是為1，進行FSK 調制。程序設計的流程如圖3 所示。

圖3 編程流程圖

4.2 軟件工具的選擇

選擇e-labsim、Visual Studio作為編程工具，e-labsim提供前端連接圖所需，Visual Studio 提供c 語言編寫環(huán)境，生成dll 文件以導入進二次開發(fā)模塊中。

e-labsim 是一款還擁有仿真引擎和數學模型的模塊級仿真軟件，與Flash 形式的“偽仿真”不同，e-labsim可以真實再現實驗狀況和現象。

5 仿真結果

5.1 PCM 結果展示

圖4 為PCM 仿真結果。

圖4 PCM 仿真結果

5.2 2FSK 和解調結果展示

圖5 為2FSK 和解調仿真結果。

圖5 2FSK 和解調仿真結果

6 結 論

本次設計結合PCM、FSK、基帶傳輸碼型知識設計了一個綜合PCM 抽樣、量化、編碼、將編碼的比特流進行FSK 調制和碼型變換的通信系統(tǒng)，最后將PCM碼流進行解調，從OUT 輸出解調信號。