正弦信號PCM編碼和PSK調制頻帶傳輸實驗探討

商 林

(武漢交通職業學院 電子與信息工程學院, 湖北 武漢 430065)

正弦信號PCM編碼和PSK調制頻帶傳輸實驗探討

商 林

(武漢交通職業學院 電子與信息工程學院, 湖北 武漢 430065)

設計了“正弦信號PCM編碼和PSK調制頻帶傳輸”實驗。采用通信原理實驗箱和20 MHz雙蹤示波器,2 kHz的正弦波在8 kHz窄脈沖采樣信號和64 kHz編譯碼時鐘作用下,把模擬信號轉換為數字信號；選擇1 MHz正弦波為載波進行PSK調制和解調,調制后的信號能解調出原來的數字信號,在同步時鐘作用下,將信號還原為2 kHz的正弦波。通過該實驗,學生可直觀地了解PCM編碼和譯碼、PSK調制和解調過程。

調制解調； 實驗教學； PCM； PSK

高職院校電子信息大類、通信大類專業群都會開設通信原理、現代網絡通信、現代通信技術等課程,并根據人才培養目標確定課程內容,但一般都少不了基本的脈沖編碼調制(PCM)編譯碼、相移鍵控(PSK)調制解調的內容。PCM和PSK的基本原理涉及很多數學知識,例如傅里葉變換、貝塞爾函數等[1-3],它們是現代通信網的基礎,也是學生理解數字通信網模型必須掌握的知識點。只有理解了這些現代通信網基本層面的基礎知識點,才能更好地理解后續的專業知識。筆者針對高職學生學習的特點,結合武漢交通職業學院“電子信息國家級實訓基地”建設的成果,設計了“正弦信號PCM編碼和PSK調制頻帶傳輸”實驗項目,讓學生通過實驗理解PCM/PSK的工作過程。

1 PCM和PSK實驗

PCM是把模擬信號變換為數字信號的一種編碼方式,能把連續輸入的模擬信號變換為在時間和振幅上都離散的量,再把離散的量變換為二進制編碼進行傳輸。雖然PCM具有要求傳輸帶寬比較寬、系統復雜的缺點,但這些缺點在現代科學技術面前已經不重要了,PCM仍是一種極其重要的通信方式。在講授PCM知識點時,教師會重點講采樣、量化、編碼3個過程,如果講得比較仔細,還會畫出PCM的3個過程的圖例。但是,學生初次接觸PCM,對PCM的工作過程不容易理解。

在現代通信中,單純使用PSK的很少,而使用MPSK(多進制相移鍵控)比較多。但是教師在講授該知識點時,一般會先從PSK講起,例如用相同頻率的正弦波的0相代表數字信號1,π相表示數字信號0。這些枯燥的知識點學生聽得似懂非懂,學生結合電路分析中正弦交流電的三要素好像聽得懂,但怎么表示二進制數字信號就難理解。

2 實驗設計

為使PCM編譯碼與PSK調制解調實驗教學效果更好,讓學生更容易了解PCM與PSK的基本原理以及它們在現代通信中的應用,使用了通信原理實驗箱和20 MHz雙蹤示波器,設計了“正弦信號PCM編碼和PSK調制頻帶傳輸”實驗[4-6],實驗基本原理如圖1所示。

圖1 實驗原理

2.1 PCM編碼

本實驗中,選擇2 kHz的同步正弦波為信號源,采樣脈沖為8 kHz窄脈沖。根據奈奎斯特定理,在進行模擬-數字信號轉換時,當采樣頻率fs max大于信號中最高頻率fmax的2倍時(fs max>2fmax),采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息,即采樣后的信號可以通過數字低通濾波器還原成原來的正弦波[7-8]。在本實驗中,fs max=8 kHz,fmax=2 kHz,滿足奈奎斯特定理[9],所以從理論上信號是可以恢復的。本實驗中選擇了正占空比為12%的窄脈沖,理想近似為沖激函數,可以對連續信號進行線性表示,如圖2所示。

圖2 信號源與抽樣脈沖波形

圖3是信號源與量化編碼波形。對比圖2與圖3,可以清楚地看出：每次窄脈沖時采樣了一次,并進行了量化[9],到底量化了多少位(本實驗是量化為8位),要看線路編譯碼時鐘信號[2,10]。本實驗線路編譯碼時鐘信號的頻率是64 kHz,正好為采樣信號頻率的8倍,可以量化為8位。

圖3 信號源與量化編碼波形

如圖4所示,對于第2個采樣脈沖,可以在示波器中把采樣量化編碼和采樣脈沖重疊,可以清楚地計算出本次采樣對應的量化編碼為01011011,同樣算出第1次采樣量化的編碼是01010110。通過實驗結果清楚地向學生展示了信號源、采樣脈沖、編譯碼時鐘、采樣量化編碼之間的頻率和數量關系。當然,本實驗如果使用4通道的示波器,可以把信號源、采樣脈沖、編譯碼時鐘、PCM編碼結果放在一起,效果會更明顯。

圖4 采樣編碼與抽樣脈沖

該實驗對于學生了解PCM的采樣、編碼過程很有幫助,但對于理解量化過程則效果不明顯,但可以使用倒推的方式讓學生了解:由編碼后的8位二進制信號,求出對應的十進制值,可以知道當前采樣點在整個信號源振幅中的量化等級位置值。例如第1次采樣編碼01010110對應量化等級是86,第2次采樣編碼01011011對應量化等級是91,可以推斷正弦波是在上升階段。

2.2 PSK調制與解調

本實驗中,PSK調制與解調的原理是用相同頻率、不同相位的正弦波來表示數字信號1和0,實驗中使用了1 MHz的正弦波,0相位的正弦波表示數字信號1,π相位的正弦波表示數字信號0。如圖5所示,數字信號編碼是101,模擬信號的頻率為1 MHz。仔細觀察1與0之間的正弦波可以看到:在數字信號1的周期內與數字信號0交界處,正弦波先是上升趨勢,到了1與0的交界處,正弦波雖然沒有達到最大值,但波形已經是向下趨勢了,即正弦波反相了,因為要表示數字信號0。再看數字信號0與1交界處的正弦波,是向下趨勢,也沒有達到最小值,但在交界處變成了向上的趨勢,即反相了。通過PSK調制實驗,學生就能清楚地理解如何用PSK調制數字信號。

圖5 PSK調制

由圖6可見,當前載波是1 MHz的正弦波,是由PSK調制出來的模擬信號,經過信道傳送到接收端。為了清楚地觀察實驗結果,實驗中沒有使用噪聲模塊。觀察正弦波,開始都是完整的正弦波,對應的是數字信號1,到了數字信號0時,突然由上升趨勢轉變為下降趨勢。對比圖5和圖6,學生應能明白PSK調制和PSK解調的過程和作用。

圖6 PSK解調

2.3 PCM譯碼

PCM譯碼是把數字信號還原成模擬信號的過程。實驗中采用的是64 kHz的譯碼時鐘,采樣脈沖是8 kHz的窄脈沖。在同步時鐘信號的作用下,譯碼器能位同步和幀同步,選擇8位為一幀,把信號送到低通濾波器,數字信號轉換為模擬信號[11],如圖7所示。

圖7 抽樣編碼與還原正弦波

3 實驗結果

在“正弦信號PCM編碼和PSK調制頻帶傳輸”實驗中,2 kHz的正弦波在8 kHz窄脈沖采樣信號和64 kHz編譯碼時鐘作用下,將模擬信號變換為數字信號,然后選擇1 MHz正弦波為載波,進行PSK調制和解調,調制后的信號能解調出原來的數字信號,在同步時鐘作用下[12],信號還原為2 kHz的正弦波,如圖8所示。

圖8 信源、信宿

4 結語

對于高等數學知識基礎較弱的學生,理解PCM、PSK等知識點是件困難的事情,但通過動手進行實驗,學生就能清楚、直觀地看到實驗結果和信號傳輸的過程和變化。通過設計該實驗,幫助高職學生更好地掌握PCM和PSK知識點,提高學生的學習興趣。

References)

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

[2] 曾光,任峻.2PSK與2DPSK調制解調系統的仿真設計與分析[J].電子設計工程,2016(11):78-80,83.

[3] 樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].北京:國防工業出版社,2006.

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

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[6] 溫志津.PSK非相干差分解調[J].通信技術,2009(9):12-15.

[7] 孫學軍.通信原理[M].北京:電子工業出版社,2011.

[8] 謝秀峰.基于DDS的PCM數字信號源設計與實現[J].電測與儀表,2015(8):91-94.

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[10] 解銳靜,李洪祚,張慧穎.基于LabVIEW的PSK調制信號的識別[J].長春理工大學學報,2016(12):134-138.

[11] 周郭牛,景心平.一種基于FSK和PSK的新型混合調制方法[J].空間電子技術,2015(6):45-49.

[12] 李曉峰,周寧,周亮.通信原理[M].北京:清華大學出版社,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

湖北省教育科學“十二五”規劃2013年度重點課題(2013A052)

商林(1973—),男,湖北黃岡,碩士,副教授,主要研究方向為ITS、交通信息安全和實驗教學方法.E-mail：89352118@163.com

TN914.2；G642.423

A

1002-4956(2017)08-0150-03