基于PCM 和基带传输对通信系统的设计

张家伟

（重庆交通大学，重庆 400000）

1 设计目的和要求

设计目的和要求具体如下：

（1）了解通信原理在实际生活中的应用；

（2）了解通信系统的实现过程；

（3）整个系统能够完成预期的信号处理的要求；

（4）系统所需实现的功能均能够正常流畅地实现；

（5）能够在示波器上明显地观察出经PCM 处理的信号；

（6）能够有效地对PCM 编码输出地码流进行FSK 调制.

2 设计条件

设计条件包括个人PC、e-labsim、Visual Studio2017。

3 系统设计

3.1 基本原理简述

3.1.1 PCM 概要解释

现实中，距离稍长的信号传输都是需要用数字信道传输的，但是很多信号都是模拟信号（如话音），因此就要实现将模拟信号数字化来实现通信。这就是PCM 的目的所在。

PCM 各部分作用和概念解释如下。

抽样：将时间连续的模拟信号由一系列时间离散的样值取代的过程。

量化：将幅值离散化。

编码：将量化后的电平用二进制来表示。

每两个抽样值的时间间隔称作抽样间隔Ts，抽样信号的频率称为抽样频率fs，fs的选取是有讲究的，其要满足低通抽样定理。

3.1.2 双极性码概要解释

二进制比特流往往是0 和1 交替出现，之所以叫双极性码是因为1 的幅值有+1 和-1 之分，实际应用码型中的AMI 码和HDB3码都是双极性码。

3.1.3 FSK 的概要解释

利用基带信号控制载波的参数，使载波的参数携带基带信息，这就是数字调制的基本概念。FSK 是频移键控的调制方式，根据二进制信号的不同幅值控制载波的频率。往往用开关键控法来实现此种调制方式。当数字信号为1 时，载波是频率为f1的信号，数字信号为0 时，载波是频率为f2的频率。

3.2 系统设计原理

3.2.1 e-labsim 构图及解释

图1 为e-labsim 仿真构图。

图1 e-labsim 仿真构图

靠近左边的是三个信号发生器和一个主控模块，信号发生器从上至下依次是：抽样信号的方波信号发生器、2FSK 的正弦载波1 信号发生器、2FSK 的正弦载波2 信号发生器。主控模块提供本次系统处理的基带信号，其是一个正弦信号。二次开发板是核心器件，用于执行系统的算法，算法由Visual Studio 生成的DLL文件导入。通过IN 和OUT 接口来对输入的信号进行算法处理和输出处理后的调制和解调。剩下的5 个示波器用来显示所需显示的信号。

3.2.2 抽样部分的设计

在e-labsim 中，主控&信号源模块引出模拟信号源A-OUT，接到二次开发模块IN1，用信号发生器产生频率16 kHz、峰值为5 V 的方波信号作为抽样信号。当抽样信号的值满足非0 的条件下，OUT 端口就输出IN1 端口的信号幅值，否则，OUT 端口输出的信号的幅值就为0。

图2 为抽样原理图。

图2 抽样原理图

根据抽样定理，抽样频率要大于信号最高频率的两倍，从抽样的结果来看，抽样频率16 kHz 是满足要求的。

3.2.3 量化部分的设计

PCM 中量化是紧紧跟着抽样部分的，抽样后的幅值是连续的，取值有很多种可能，在本系统中，设置输入的幅值不超过2 V。因此，对-2～+2 V 进行了21段量化。量化表1 如所示。

表1 量化值表

在工程文件中，程序对编码后OUT1 输出的值所落的区间进行判别，返回区间中点值作为量化电平值。在OUT2 端口进行输出。

3.2.4 编码的原理设计

从表1 自行设计的编码规则中可知：一共只有21段，没有设置段落码，只设置了极性码和段内码，将所有量化电平都看作为同一段落内的。

编码原理解释如下：

a1=1 时，代表得到的量化值是非负的，反之a0= 0，代表得到的量化值是正的。

在编程中，量化值的编码值放置在record[]数组中，全局整型变量pg 存放量化值对应的位置段值。record[]数组中的值对应十进制变量pg的二进制数值。

3.2.5 双极性码的设计原理

双极性码是体现在信号值“1”上的，当前“1”的极性是与前一个“1”的极性相反的，因此在程序中设计一个标记变量即可。

基于当前record[]数组里的值，设计思想如下。

若record[index]值为1：

若record[index]的值为0，输出也为0。

其中，FC是全局标记变量，若FC为1 则标志着前一个1 极性为负，则当前输出1 的极性为正，同时将标记变量FC修改为0，代表输出了极性为正的“1”。

若FC为0，则标志着前一个1 极性为正，则当前输出1 的极性为负，同时将标记变量FC修改为1，代表输出了极性为负的“1”。

3.2.6 2FSK 的设计原理

此模块功能是针对PCM 编码后的码流来实现的，若码流中的比特值为1，输出频率为f1（如2 000 kHz） 的载波，若码流中的比特值为0，输出频率为f2的载波。

输出的信号是从二次开发板中的OUT4 端口输出的。即：

不同频率的载波由函数信号发生器来得到。

4 详细设计与编码

4.1 设计方案

设计思路具体如下。

主控模块提供一个正弦波，输入到IN1 口，函数信号发生器模块提供一个采样信号，输入到IN2 口，当IN2 口的信号满足一定条件时，在当前的程序运行周期中实施对IN1 口信号的采样；根据预先设置好的量化值表对抽样值进行量化，取他所落区间的中值作为量化结果；量化部分由子功能函数来实现，通过返回值的方式来对OUT 口进行输出；对于编码，同样利用子功能函数Code（）来实现，根据量化值所落的位置段这一信息反应在了全局整型变量pg，然后对全局整型变量pg 进行二进制转化，将转化结果存在record[]数组中。为了防止溢出，程序中对下标变量cnt 进行取余操作。在运行周期里，OUT 口会对record[]数组里的内容进行输出。针对输出的值为0 还是为1，进行FSK 调制。程序设计的流程如图3 所示。

图3 编程流程图

4.2 软件工具的选择

选择e-labsim、Visual Studio作为编程工具，e-labsim提供前端连接图所需，Visual Studio 提供c 语言编写环境，生成dll 文件以导入进二次开发模块中。

e-labsim 是一款还拥有仿真引擎和数学模型的模块级仿真软件，与Flash 形式的“伪仿真”不同，e-labsim可以真实再现实验状况和现象。

5 仿真结果

5.1 PCM 结果展示

图4 为PCM 仿真结果。

图4 PCM 仿真结果

5.2 2FSK 和解调结果展示

图5 为2FSK 和解调仿真结果。

图5 2FSK 和解调仿真结果

6 结 论

本次设计结合PCM、FSK、基带传输码型知识设计了一个综合PCM 抽样、量化、编码、将编码的比特流进行FSK 调制和码型变换的通信系统，最后将PCM码流进行解调，从OUT 输出解调信号。