張家偉

（重慶交通大學(xué)，重慶 400000）

1 設(shè)計(jì)目的和要求

設(shè)計(jì)目的和要求具體如下：

（1）了解通信原理在實(shí)際生活中的應(yīng)用；

（2）了解通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程；

（3）整個(gè)系統(tǒng)能夠完成預(yù)期的信號(hào)處理的要求；

（4）系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能均能夠正常流暢地實(shí)現(xiàn)；

（5）能夠在示波器上明顯地觀察出經(jīng)PCM 處理的信號(hào)；

（6）能夠有效地對(duì)PCM 編碼輸出地碼流進(jìn)行FSK 調(diào)制.

2 設(shè)計(jì)條件

設(shè)計(jì)條件包括個(gè)人PC、e-labsim、Visual Studio2017。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 基本原理簡(jiǎn)述

3.1.1 PCM 概要解釋

現(xiàn)實(shí)中，距離稍長(zhǎng)的信號(hào)傳輸都是需要用數(shù)字信道傳輸?shù)模呛芏嘈盘?hào)都是模擬信號(hào)（如話音），因此就要實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)數(shù)字化來實(shí)現(xiàn)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(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)由一系列時(shí)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(jìn)制來表示。

每?jī)蓚€(gè)抽樣值的時(shí)間間隔稱作抽樣間隔Ts，抽樣信號(hào)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(jìn)制比特流往往是0 和1 交替出現(xiàn)，之所以叫雙極性碼是因?yàn)? 的幅值有+1 和-1 之分，實(shí)際應(yīng)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(hào)控制載波的參數(shù)，使載波的參數(shù)攜帶基帶信息，這就是數(shù)字調(diào)制的基本概念。FSK 是頻移鍵控的調(diào)制方式，根據(jù)二進(jìn)制信號(hào)的不同幅值控制載波的頻率。往往用開關(guān)鍵控法來實(shí)現(xiàn)此種調(diào)制方式。當(dāng)數(shù)字信號(hào)為1 時(shí)，載波是頻率為f1的信號(hào)，數(shù)字信號(hào)為0 時(shí)，載波是頻率為f2的頻率。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

3.2.1 e-labsim 構(gòu)圖及解釋

圖1 為e-labsim 仿真構(gòu)圖。

圖1 e-labsim 仿真構(gòu)圖

靠近左邊的是三個(gè)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)主控模塊，信號(hào)發(fā)生器從上至下依次是：抽樣信號(hào)的方波信號(hào)發(fā)生器、2FSK 的正弦載波1 信號(hào)發(fā)生器、2FSK 的正弦載波2 信號(hào)發(fā)生器。主控模塊提供本次系統(tǒng)處理的基帶信號(hào)，其是一個(gè)正弦信號(hào)。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(dǎo)入。通過IN 和OUT 接口來對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行算法處理和輸出處理后的調(diào)制和解調(diào)。剩下的5 個(gè)示波器用來顯示所需顯示的信號(hào)。

3.2.2 抽樣部分的設(shè)計(jì)

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

圖2 為抽樣原理圖。

圖2 抽樣原理圖

根據(jù)抽樣定理，抽樣頻率要大于信號(hào)最高頻率的兩倍，從抽樣的結(jié)果來看，抽樣頻率16 kHz 是滿足要求的。

3.2.3 量化部分的設(shè)計(jì)

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(shè)置輸入的幅值不超過2 V。因此，對(duì)-2～+2 V 進(jìn)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?qū)幋a后OUT1 輸出的值所落的區(qū)間進(jìn)行判別，返回區(qū)間中點(diǎn)值作為量化電平值。在OUT2 端口進(jìn)行輸出。

3.2.4 編碼的原理設(shè)計(jì)

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

編碼原理解釋如下：

a1=1 時(shí)，代表得到的量化值是非負(fù)的，反之a(chǎn)0= 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(shù)組中，全局整型變量pg 存放量化值對(duì)應(yīng)的位置段值。record[]數(shù)組中的值對(duì)應(yīng)十進(jìn)制變量pg的二進(jìn)制數(shù)值。

3.2.5 雙極性碼的設(shè)計(jì)原理

雙極性碼是體現(xiàn)在信號(hào)值“1”上的，當(dāng)前“1”的極性是與前一個(gè)“1”的極性相反的，因此在程序中設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)記變量即可。

基于當(dāng)前record[]數(shù)組里的值，設(shè)計(jì)思想如下。

若record[index]值為1：

若record[index]的值為0，輸出也為0。

其中，F(xiàn)C是全局標(biāo)記變量，若FC為1 則標(biāo)志著前一個(gè)1 極性為負(fù)，則當(dāng)前輸出1 的極性為正，同時(shí)將標(biāo)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(biāo)志著前一個(gè)1 極性為正，則當(dāng)前輸出1 的極性為負(fù)，同時(shí)將標(biāo)記變量FC修改為1，代表輸出了極性為負(fù)的“1”。

3.2.6 2FSK 的設(shè)計(jì)原理

此模塊功能是針對(duì)PCM 編碼后的碼流來實(shí)現(xiàn)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(hào)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(shù)信號(hào)發(fā)生器來得到。

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)與編碼

4.1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)思路具體如下。

主控模塊提供一個(gè)正弦波，輸入到IN1 口，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模塊提供一個(gè)采樣信號(hào)，輸入到IN2 口，當(dāng)IN2 口的信號(hào)滿足一定條件時(shí)，在當(dāng)前的程序運(yùn)行周期中實(shí)施對(duì)IN1 口信號(hào)的采樣；根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的量化值表對(duì)抽樣值進(jìn)行量化，取他所落區(qū)間的中值作為量化結(jié)果；量化部分由子功能函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，通過返回值的方式來對(duì)OUT 口進(jìn)行輸出；對(duì)于編碼，同樣利用子功能函數(shù)Code（）來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)量化值所落的位置段這一信息反應(yīng)在了全局整型變量pg，然后對(duì)全局整型變量pg 進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)化，將轉(zhuǎn)化結(jié)果存在record[]數(shù)組中。為了防止溢出，程序中對(duì)下標(biāo)變量cnt 進(jìn)行取余操作。在運(yùn)行周期里，OUT 口會(huì)對(duì)record[]數(shù)組里的內(nèi)容進(jìn)行輸出。針對(duì)輸出的值為0 還是為1，進(jìn)行FSK 調(diào)制。程序設(shè)計(jì)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(dǎo)入進(jìn)二次開發(fā)模塊中。

e-labsim 是一款還擁有仿真引擎和數(shù)學(xué)模型的模塊級(jí)仿真軟件，與Flash 形式的“偽仿真”不同，e-labsim可以真實(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)狀況和現(xiàn)象。

5 仿真結(jié)果

5.1 PCM 結(jié)果展示

圖4 為PCM 仿真結(jié)果。

圖4 PCM 仿真結(jié)果

5.2 2FSK 和解調(diào)結(jié)果展示

圖5 為2FSK 和解調(diào)仿真結(jié)果。

圖5 2FSK 和解調(diào)仿真結(jié)果

6 結(jié) 論

本次設(shè)計(jì)結(jié)合PCM、FSK、基帶傳輸碼型知識(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合PCM 抽樣、量化、編碼、將編碼的比特流進(jìn)行FSK 調(diào)制和碼型變換的通信系統(tǒng)，最后將PCM碼流進(jìn)行解調(diào)，從OUT 輸出解調(diào)信號(hào)。