数字基带传输（基于PCM的2PSK调制解调)课程设计
作者：互联网
数字信号基带传输
1. PCM编码
时分复用TDM是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。
时分多路复用以时间作为信号分割的参量，故必须使各路信号在时间轴上互不重叠。
时分复用（TDM，Time-division multiplexing）就是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片(简称时隙)，并将这些时隙分配给每一个信号源使用。
1.1 为什么要用PCM编码
发、收双方的电子开关的起始位置和旋转速率都必须一致，否则将会造成错收，这就是PCM（脉冲编码调制(Pulse Code Modulation,PCM）系统中的同步要求。收、发两端的数码率或时钟频率相同叫位同步或称比特同步，也可通俗的理解为两电子开关旋转速率相同；收、发两端的起始位置是每隔1帧长（即每旋转一周）核对一次的，此称帧同步。这样才一能保证正确区分收到的哪8位码是属于一个样值的，又是属于哪一路的。为了完成上述同步功能，在接收端还需设有两种装置：一是同步码识别装置，识别接收的 PCM信号序列中的同步标志码的位置；二是调整装置，当收、发两端同步标志码位置不对应时，需在收端进行调整使其两者位置相对应。以上两种装置统称为帧同步电路。
- 第一点 ：PCM（Pulse Code Modulation，脉码调制）信号的传输，把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧（帧中还包括帧同步信息和信令信息），每帧在一个时间片内发送，每个时隙承载一路PCM信号。
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1.2为什么时分复用器和解复用器同时存在
相同设备通过相同 TDM 技术原理却可以执行相反过程，
将高速率数据流分解为多个低速率数据流，该过程称为解除复用技术。因此，在同一个箱子中同时存在时分复用器和解复用器（Demultiplexer）是常见的。
因此，在同一个箱子中同时存在时分复用器和解复用器（Demultiplexer）是常见的。
1.3 PCM编码（脉冲编码调制）
数模转换要经过抽样、量化、编码。如下图所示：
- 抽样：时间离散化
- 量化：幅度离散化
- 编码：转换为二进制
脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样，再对样本值幅度量化，编码的过程。抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号，抽样必须遵循奈奎斯特抽样定理。
该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。
它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。抽样速率采用8KHZ。是原信号的16倍数。
量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示,通常是用二进制表示。
量化误差：量化后的信号和抽样信号的差值。
量化误差在接收端为噪声，称为量化噪声。
量化级数越多误差越小，相应的二进制码位数越多，要求传输速率越高，频带越宽。
为使量化噪声尽可能小而所需码位数又不太多，通常采用非均匀量化的方法进行量化。
非均匀量化根据幅度的不同区间来确定量化间隔，幅度小的区间量化间隔取得小，幅度大的区间量化间隔取得大题目要求码元传输速率为: 64kBd， 且为二进制码，所以编码信号速率为64kb/s。
每个量化值对应一个 8位二进制码，故语音PCM的抽样频率为(64kb/s)/(8bits)=8kHz,通常我们采用的是脉冲代码调制编码[1]，即PCM编码。
PCM通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。为了增大输入信号的动态范围，这里,采用采用A律压扩实现非均匀量化[3]。原理框图如图下图所示。
2 串并转换原理
串行数据输出是将组成数据和字符的码元按时序逐位传输，并行数据传输是将固定位数（通常为8位或16位等）的数据和字符码元同时传输至接收端，串并转换是完成这两种传输方式之间转换的技术。
ADC采样之后得到的是8位并行信号，为了将其变换成串行信号，使用计数器和8选1数据选择器来完成并行信号到串行信号的转换。由于是8位8kHz采样的并行信号，因此计数器的计数频率为64kHz,才能在一个采样周期内完成8位传输。
而串行信号转并行信号则是通过移位寄存器和锁存器完成。移位寄存器将接收到的串行信号通过移位接收，移位满之后将数据锁存进入锁存器中。移位寄存器和锁存器的时钟信号应设置为64kHz和8kHz。
3. 2PSK调制原理
2psk即二进制相移键控。移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。
移相键控分为绝对移相和相对移相两种。
以未调载波的相位作为基准的相位调制叫做绝对移相。以二进制调相为例，取码元为“1”时，调制后载波与未调载波同相；取码元为“0”时，调制后载波与未调载波反相；“1”和“0”时调制后载波相位差180°。
典型波形图如下图所示：
由于表示信号的两种码元的1波形相同，极性相反，故2PSK信号一般可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波相乘：
其中
这里， g(t)是脉宽为 的单个矩形脉冲，而的统计特性为：，即发送为二进制符号“0”时（取+1），取0相位；发送为二进制符号“1”时（取-1,）,取“1”相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制绝对相移方式。2PSK信号的调制原理框图如图2所示，分为模拟调制方（a）和模拟调制方（b）。
4. 2PSK的相干解调原理
2PSK信号的解调方法是相干解调法。
由于PSK信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端应该利用信号的相位信息来解调信号。2PSK信号相干接收设备的原理框图如图下图所示。图中经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘，然后用低通滤波器滤除高频分量，在进行抽样判决。
抽样判决器是按极性来判决的。即正抽样值判为1,负抽样值判为0.2PSK信号相干解调各点时间波形如下图所示，当恢复的相干载波产生180°倒相时,解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错，这种现象通常称为"倒π现象.由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180的相位模糊,所以2PSK信号的相干解调存在随机的"倒π’现象,从而使得2PSK方式在实际中很少采用.2PSK信号的调制原理框图如图下图所示。
因此2PSK只能采用相干解调，使用VCO压控振荡器提取出同步载波与2PSK信号相乘，经过一个低通滤波器后再进行抽样判决即可解调出基带PCM编码信号。
5.实验仿真
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6.实现的具体步骤
6.1 PCM编码压缩信号的产生
PCM编码压缩信号的产生需要经过抽样PCM编码压缩信号的产生、量化、编码三个过程.
首先从模块7输入5V、100HZ的正弦单音信号，模块7输入波形图:
经过模块31进行A律压缩（用于A/D转换器的前级），采用非均匀压缩，经模块31压缩后的A律压缩信号:
再经过模块3、模块29.A/D模数转换器进行单位脉冲采样量化，然后经过模块28.8数据选择器、27进行并串转换将8位并行数据，逐位转换成串行数据输出PCM信号。
产生的信号；
6.2 2PSK调制信号的产生与解调
原理图：
波形图：
它们每段的起点处存在一定的波动误差，造成的主要原因是调制系统的误差。仿真结果准确。同样已调信号不是很清楚，因为载波频率太高的缘故。
相干解调错- -位，码变换错两位;相干解调错连续两位，码变换也错两位;相干解调错连续n位，码变换也错两位。
对2PSK信号在模块44、43进行加加性高斯白噪声，经过模块42.带通滤波器，模块15.低通滤波器，模块32采样、模块33保持、模块34缓冲抽样。
抽样判决后的信号图：
6.3 PCM解码压缩信号
PCM解码仿真图：
模块35是8位寄存器从低位向高位移动传输数据，进行串并转换，模块36是8位锁存器，低位接高位，高位接低低位，模块39是8K门限脉冲经过40进行微分，在模块38.数模转换器、模块37.扩展器进行解压缩，最后经过低通滤波器输出信号。其中模块26.低通滤波器的参数频率设置100HZ。
7.结果分析
7.1 2PSK调制解调分析
在实现2PSK信号的调制与相干解调的过程中发现，绝对调相系统会产生倒相现象，因此应考虑采用相对相位调相系统。
形成倒现象的原因是在2PSK信号的载波恢复过程中存在180°相位模糊，既恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，判决器输出信号全部出错，这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。
另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，在接受端无法辨认信号码元的起止时刻。为了解决上述问题，可以采用差分相移键控体制。
它们每段的起点处存在一定的波动误差，造成的主要原因是调制系统的误差。仿真结果准确。同样已调信号不是很清楚，因为载波频率太高的缘故。
相干解调错- -位，码变换错两位;相干解调错连续两位，码变换也错两位;相干解调错连续n位，码变换也错两位。
7.2 眼图分析
当信道中噪声方差为0.01V时：
当信道中噪声方差为0.1V时：
对比两个眼图，信道中加入的干扰噪声越大，眼图越不清晰，越紊乱。与噪声均方差为 0.01V的干扰噪声相比可看出，噪声越大，线条越粗，越模糊，“眼睛”睁开的越小，码间串扰越大。
抽样判决后的输出码元波形与原始基带信号相比有延时，原因是由抽样判决器引起的。当抽样速率越大时，误差越小。
8. 参考文献
[1]张炎生,谭艳春,廖珊.基于硬件系统仿真的通信原理实践[J].电子技术与软件工程,2019
[2]胡之惠.基于System View的通信原理课程设计的改革与探索[J].实验室研究与探索,2019
[3]樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2006.
[4]吴恩学.简述数字信号的基带传输与调制传输技术[J].中国广电技术文萃,2014(04).
[5]苗长云等主编现代通信原理及应用[M].电子工业出版社，2005.
[6]罗卫兵，System View动态系统分析及通信系统仿真设计[M].西安电子科技大学出版社，2007.
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