正弦信号PCM编码和PSK调制频带传输实验探讨

商 林

(武汉交通职业学院 电子与信息工程学院, 湖北 武汉 430065)

正弦信号PCM编码和PSK调制频带传输实验探讨

商 林

(武汉交通职业学院 电子与信息工程学院, 湖北 武汉 430065)

设计了“正弦信号PCM编码和PSK调制频带传输”实验。采用通信原理实验箱和20 MHz双踪示波器,2 kHz的正弦波在8 kHz窄脉冲采样信号和64 kHz编译码时钟作用下,把模拟信号转换为数字信号；选择1 MHz正弦波为载波进行PSK调制和解调,调制后的信号能解调出原来的数字信号,在同步时钟作用下,将信号还原为2 kHz的正弦波。通过该实验,学生可直观地了解PCM编码和译码、PSK调制和解调过程。

调制解调； 实验教学； PCM； PSK

高职院校电子信息大类、通信大类专业群都会开设通信原理、现代网络通信、现代通信技术等课程,并根据人才培养目标确定课程内容,但一般都少不了基本的脉冲编码调制(PCM)编译码、相移键控(PSK)调制解调的内容。PCM和PSK的基本原理涉及很多数学知识,例如傅里叶变换、贝塞尔函数等[1-3],它们是现代通信网的基础,也是学生理解数字通信网模型必须掌握的知识点。只有理解了这些现代通信网基本层面的基础知识点,才能更好地理解后续的专业知识。笔者针对高职学生学习的特点,结合武汉交通职业学院“电子信息国家级实训基地”建设的成果,设计了“正弦信号PCM编码和PSK调制频带传输”实验项目,让学生通过实验理解PCM/PSK的工作过程。

1 PCM和PSK实验

PCM是把模拟信号变换为数字信号的一种编码方式,能把连续输入的模拟信号变换为在时间和振幅上都离散的量,再把离散的量变换为二进制编码进行传输。虽然PCM具有要求传输带宽比较宽、系统复杂的缺点,但这些缺点在现代科学技术面前已经不重要了,PCM仍是一种极其重要的通信方式。在讲授PCM知识点时,教师会重点讲采样、量化、编码3个过程,如果讲得比较仔细,还会画出PCM的3个过程的图例。但是,学生初次接触PCM,对PCM的工作过程不容易理解。

在现代通信中,单纯使用PSK的很少,而使用MPSK(多进制相移键控)比较多。但是教师在讲授该知识点时,一般会先从PSK讲起,例如用相同频率的正弦波的0相代表数字信号1,π相表示数字信号0。这些枯燥的知识点学生听得似懂非懂,学生结合电路分析中正弦交流电的三要素好像听得懂,但怎么表示二进制数字信号就难理解。

2 实验设计

为使PCM编译码与PSK调制解调实验教学效果更好,让学生更容易了解PCM与PSK的基本原理以及它们在现代通信中的应用,使用了通信原理实验箱和20 MHz双踪示波器,设计了“正弦信号PCM编码和PSK调制频带传输”实验[4-6],实验基本原理如图1所示。

图1 实验原理

2.1 PCM编码

本实验中,选择2 kHz的同步正弦波为信号源,采样脉冲为8 kHz窄脉冲。根据奈奎斯特定理,在进行模拟-数字信号转换时,当采样频率fs max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs max>2fmax),采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息,即采样后的信号可以通过数字低通滤波器还原成原来的正弦波[7-8]。在本实验中,fs max=8 kHz,fmax=2 kHz,满足奈奎斯特定理[9],所以从理论上信号是可以恢复的。本实验中选择了正占空比为12%的窄脉冲,理想近似为冲激函数,可以对连续信号进行线性表示,如图2所示。

图2 信号源与抽样脉冲波形

图3是信号源与量化编码波形。对比图2与图3,可以清楚地看出：每次窄脉冲时采样了一次,并进行了量化[9],到底量化了多少位(本实验是量化为8位),要看线路编译码时钟信号[2,10]。本实验线路编译码时钟信号的频率是64 kHz,正好为采样信号频率的8倍,可以量化为8位。

图3 信号源与量化编码波形

如图4所示,对于第2个采样脉冲,可以在示波器中把采样量化编码和采样脉冲重叠,可以清楚地计算出本次采样对应的量化编码为01011011,同样算出第1次采样量化的编码是01010110。通过实验结果清楚地向学生展示了信号源、采样脉冲、编译码时钟、采样量化编码之间的频率和数量关系。当然,本实验如果使用4通道的示波器,可以把信号源、采样脉冲、编译码时钟、PCM编码结果放在一起,效果会更明显。

图4 采样编码与抽样脉冲

该实验对于学生了解PCM的采样、编码过程很有帮助,但对于理解量化过程则效果不明显,但可以使用倒推的方式让学生了解:由编码后的8位二进制信号,求出对应的十进制值,可以知道当前采样点在整个信号源振幅中的量化等级位置值。例如第1次采样编码01010110对应量化等级是86,第2次采样编码01011011对应量化等级是91,可以推断正弦波是在上升阶段。

2.2 PSK调制与解调

本实验中,PSK调制与解调的原理是用相同频率、不同相位的正弦波来表示数字信号1和0,实验中使用了1 MHz的正弦波,0相位的正弦波表示数字信号1,π相位的正弦波表示数字信号0。如图5所示,数字信号编码是101,模拟信号的频率为1 MHz。仔细观察1与0之间的正弦波可以看到:在数字信号1的周期内与数字信号0交界处,正弦波先是上升趋势,到了1与0的交界处,正弦波虽然没有达到最大值,但波形已经是向下趋势了,即正弦波反相了,因为要表示数字信号0。再看数字信号0与1交界处的正弦波,是向下趋势,也没有达到最小值,但在交界处变成了向上的趋势,即反相了。通过PSK调制实验,学生就能清楚地理解如何用PSK调制数字信号。

图5 PSK调制

由图6可见,当前载波是1 MHz的正弦波,是由PSK调制出来的模拟信号,经过信道传送到接收端。为了清楚地观察实验结果,实验中没有使用噪声模块。观察正弦波,开始都是完整的正弦波,对应的是数字信号1,到了数字信号0时,突然由上升趋势转变为下降趋势。对比图5和图6,学生应能明白PSK调制和PSK解调的过程和作用。

图6 PSK解调

2.3 PCM译码

PCM译码是把数字信号还原成模拟信号的过程。实验中采用的是64 kHz的译码时钟,采样脉冲是8 kHz的窄脉冲。在同步时钟信号的作用下,译码器能位同步和帧同步,选择8位为一帧,把信号送到低通滤波器,数字信号转换为模拟信号[11],如图7所示。

图7 抽样编码与还原正弦波

3 实验结果

在“正弦信号PCM编码和PSK调制频带传输”实验中,2 kHz的正弦波在8 kHz窄脉冲采样信号和64 kHz编译码时钟作用下,将模拟信号变换为数字信号,然后选择1 MHz正弦波为载波,进行PSK调制和解调,调制后的信号能解调出原来的数字信号,在同步时钟作用下[12],信号还原为2 kHz的正弦波,如图8所示。

图8 信源、信宿

4 结语

对于高等数学知识基础较弱的学生,理解PCM、PSK等知识点是件困难的事情,但通过动手进行实验,学生就能清楚、直观地看到实验结果和信号传输的过程和变化。通过设计该实验,帮助高职学生更好地掌握PCM和PSK知识点,提高学生的学习兴趣。

References)

[1] 王珊,肖沙里.基于PSK调制的激光通信系统研究[J].光通信研究,2015(4):64-66.

[2] 曾光,任峻.2PSK与2DPSK调制解调系统的仿真设计与分析[J].电子设计工程,2016(11):78-80,83.

[3] 樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2006.

[4] 刘丽.基于MATLAB-SIMULINK的2PSK调制及仿真[J].科技展望,2015(14):162.

[5] 杨敏.一种PSK/QAM数字调制方式识别方法[J].电子技术应用,2013(11):111-113.

[6] 温志津.PSK非相干差分解调[J].通信技术,2009(9):12-15.

[7] 孙学军.通信原理[M].北京:电子工业出版社,2011.

[8] 谢秀峰.基于DDS的PCM数字信号源设计与实现[J].电测与仪表,2015(8):91-94.

[9] 赵菁,文时祥.FSK/PSK调制的FPGA实现[J].电子科技,2011(4):64-66.

[10] 解锐静,李洪祚,张慧颖.基于LabVIEW的PSK调制信号的识别[J].长春理工大学学报,2016(12):134-138.

[11] 周郭牛,景心平.一种基于FSK和PSK的新型混合调制方法[J].空间电子技术,2015(6):45-49.

[12] 李晓峰,周宁,周亮.通信原理[M].北京:清华大学出版社,2008:187-207.

Exploration on experiment of sinusoidal signal PCM coding and PSK modulation band transmission

Shang Lin

(School of Electronics and Information Engineering, Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430065, China)

The experiment of sinusoidal signal PCM coding and PSK modulation band transmission is designed. By using the experimental box of the communication principle and the 20 MHz dual trace oscilloscope, and with the 2 kHz sine wave under the action of 8 kHz narrow pulse sampling signal and the 64 kHz codec clock, the analog signal is converted into the digital signal. The 1 MHz sine wave is selected to carry out the PSK modulation and demodulation for the carrier wave, and the modulated signal can be used to adjust the original digital signal. Under the action of the synchronous clock, the signal energy can be returned to the 2 kHz sine wave. Through this experiment, the students can intuitively understand the PCM encoding and decoding, the PSK modulation and demodulation processes.

modulation and demodulation; experimental teaching; PCM; PSK

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.037

2017-02-12

湖北省教育科学“十二五”规划2013年度重点课题(2013A052)

商林(1973—),男,湖北黄冈,硕士,副教授,主要研究方向为ITS、交通信息安全和实验教学方法.E-mail：89352118@163.com

TN914.2；G642.423

A

1002-4956(2017)08-0150-03