基于2FSK和2PSK混合调制的语音系统

目 录实验目的（2）实验仪器（2）实验原理（2）（7）实验内容（7）实验步骤（7）（9）课程设计内容数据及图片（9）（16）课程设计误差分析（16）课程设计心得（16） 基于2FSK和2PSK混合调制的语音系统1、 实验目的（1） 运用所掌握通信原理相关知识自主设计一个基于多级调制的语音系统，并通过实验验证其可行性。（2） 了解通信系统的一般模型及信源在整个通信系统中的作用。（3） 掌握模拟信号抽样与还原的原理及实现方法。（4） 掌握2FSK调制的原理及实现方法。（5） 掌握2FSK解调的原理及实现方法。（6）掌握2PSK调制的原理及实现方法。（7）掌握2PSK解调的原理及实现方法。2、 实验仪器1、信号源模块 一块2、数字调制模块 二块3、数字解调模块 二块4、20M双踪示波器 一台5、耳麦 一副6、模拟信号数字化模块 一块3、 实验原理1） 设计原理框图耳 麦A/D转换2FSK调制 语音 数字信号 2PSK解调2PSK调制2FSK解调耳 机D/A转换 语音2）整体设计思想由操作者通过话筒立体声耳机发出语音，作为待传送的语音信号，根据低通抽样定理，对模拟语音信号进行抽样，即A/D转换；将抽样后的数字信号先后经过2FSK和2PSK调制解调，即2FSK/2PSK混合调制；最后对经过混合调制的数字信号进行还原，即D/A转换，转换为语音信号，通过带话筒立体声耳机接收语音信号。3） 各部分模块原理说明及各分段过程波形预测1.1、2FSK调制2FSK（二进制频移键控，Frequency Shift Keying）信号是用载波频率的变化来传递数字信息，被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化。2FSK信号的产生方法主要有两种：一种采用模拟调频电路来实现；另一种采用键控法来实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元期间输出或两个载波之一。图14-1是2FSK调制数字键控法原理框图。图14-1 2FSK调制数字键控法原理框图为便于实验观测，由信号源模块提供码速率为96Kbit/s的NRZ码数字基带信号和384KHz、192KHz正弦载波信号，载波1频率是数字信号码速率的整4倍关系，载波2频率是数字信号码速率的整2倍关系，即NRZ码为“1”的一个码元对应正弦载波的4个周期，NRZ码为“0”的一个码元对应正弦载波的2个周期。实验中采用模拟开关作为正弦载波的输出通/断控制门，数字基带信号NRZ码用来控制门的通/断。当NRZ码为高电平时，模拟开关1导通，模拟开关2截止，正弦载波1通过门1输出；当NRZ码为低电平时，模拟开关2导通，模拟开关1截止，正弦载波2通过门2输出。门的输出即为2FSK调制信号，如下图14-2所示。图14-2 2FSK调制信号波形2、2FSK解调2FSK有多种方法解调，如包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法及差分检波法等。这里采用过零检测法，其原理框图如图14-3所示。图14-3 2FSK解调过零检测法原理框图2FSK信号的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异。如上图14-3所示，2FSK已调信号从“调制输入”测试点送入可重触发单稳态触发器中，“单稳1”触发器和“单稳2”触发器分别被设置为上升沿触发和下降沿触发，即单稳态触发器分别检测出已调信号的0相位和相位。“单稳输出1”测试点信号对应2FSK已调信号中所有的0相位有一个尖脉冲，“单稳输出2”测试点信号对应2FSK已调信号中所有的相位有一个尖脉冲，过零脉冲的宽度由触发器集成电路外接的电阻和电容确定。“单稳输出1”和“单稳输出2”两波形相加，得“过零检测”信号，即对应2FSK已调信号全部的过零点有一个尖脉冲。“过零检测”信号经二阶低通滤波器滤除高频分量，得“滤波输出”信号。“滤波输出”信号再经电压比较器判决，得“判压输出”信号。用来作比较的判决电压电平可通过“FSK判决电压调节”旋转电位器来调节。最后“判压输出”信号经位同步抽样判决，得“解调输出”信号。图14-4 2FSK解调各测试点波形2.1、2PSK调制2PSK（二进制相移键控，Phase Shift Keying）信号是用载波相位的变化表征被传输信息状态的，通常规定0相位载波和相位载波分别代表传“1”和传“0”。2PSK信号产生的方法有两种：模拟调制法和数字调制法。图15-1 2PSK调制模拟相乘法原理框图上图15-1是2PSK调制模拟相乘法原理框图。信号源模块提供码速率96K的NRZ码和384K正弦载波。在2ASK中数字基带信号是单极性的，而在2PSK中数字基带信号是双极性的。故先将单极性NRZ码经码型变换电路转换为双极性NRZ码，然后与384K正弦载波相乘，便得2PSK调制信号。乘法器的调制深度可由“调制深度调节”旋转电位器调节。图15-2 2PSK调制数字键控法原理框图上图15-2是2PSK调制数字键控法原理框图。为便于实验观测，由信号源模块提供码速率为96Kbit/s的NRZ码数字基带信号和384KHz正弦载波信号，NRZ码为“1”的一个码元对应0相位起始的正弦载波的4个周期，NRZ码为“0”的一个码元对应相位起始的正弦载波的4个周期。实验中采用模拟开关作为正弦载波的输出通/断控制门，数字基带信号NRZ码用来控制门的通/断。当NRZ码为高电平时，模拟开关1导通，模拟开关2截止，0相位起始的正弦载波通过门1输出；当NRZ码为低电平时，模拟开关2导通，模拟开关1截止，相位起始的正弦载波通过门2输出。门的输出即为2FSK调制信号，如下图15-3所示。图15-3 2PSK调制信号波形2.2、2PSK解调2PSK信号的解调通常采用相干解调法，原理框图如下图15-4所示。图15-4 2PSK解调相干解调法原理框图设已调信号表达式为（A1为调制信号的幅值），经过模拟乘法器与载波信号A2（A2为载波的幅值）相乘，得 可知，相乘后包括二倍频分量和分量（为时间的函数）。因此，需经低通滤波器除去高频成分，得到包含基带信号的低频信号。然后再进行电压判决和抽样判决。此时，“解调类型选择”拨位开关拨到“PSK”一端。解调过程中各测试点波形如下图15-5所示。图15-5 2PSK解调各测试点波形4、 实验内容通过自行设计的语音系统了解多级调制的工作流程并检测相关测试点波形。通过耳机接收经语音系统的语音信号。5、 实验步骤1、 将信号源模块、模拟信号数字化、数字调制模块和数字解调模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好； 2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下6个模块中的电源开关，对应的发光二极管灯亮，6个模块均开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）； 3、信号源模块设置 （1）调节“384K调幅”旋转电位器，使“384K正弦载波”输出幅度与“192K正弦 载波”输出幅度相等，为3.6V左右；（2）在信号源模块上插上带话筒立体声耳机，将信号源模块模拟语音信源输出的“TOUT”话音信号输入模拟信号数字化模块中； 4、模拟信号数字化模块实验连线如下： 信号源模块 模拟信号数字化模块 TOUT 抽样信号 DDS-OUT 抽样脉冲 5、方波抽样（1） 信号源模块“DDS-OUT”测试点输出选择“方波A”，调节“DDS调幅”旋转电位器，使其峰峰值为3V左右；（2） 示波器双踪观测“抽样信号”与“PAM输出”测试点波形； 6、2FSK调制（1） 实验连线如下：模拟信号数字化模块 数字调制模块PAM输出NRZ输入（数字键控法调制）信号源模块 数字调制模块384K正弦载波载波1输入（数字键控法调制）192K正弦载波载波2输入（数字键控法调制）（2） 数字调制模块“键控调制类型选择”拨码开关拨成1010，即选择2FSK调制方式。（3） 以数字调制模块“NRZ输入”的信号为内触发源，示波器双踪观测“NRZ输入”和“调制输出”测试点波形。 7、2FSK解调（1）以上模块设置和连线均不变，增加连线如下：数字调制模块 数字解调模块调制输出（数字键控法调制）调制输入（FSK解调）信号源模块 数字解调模块BS BS输入（FSK解调）（2） 示波器观测“单稳输出1”、“单稳输出2”、“过零检测”、“滤波输出”测试点波形。（3） 调节“FSK判决电压调节”旋转电位器，示波器双踪观测“滤波输出”与“判压输出”测试点波形，分析随判决电压值的不同，“判压输出”波形的变化。 8、2PSK调制（数字键控法）（1） 实验连线如下：数字解调模块 数字调制模块解调输出（FSK解调）NRZ输入（数字键控法调制）（PSK调制）信号源模块 数字调制模块384K正弦载波 载波1输入（数字键控法调制）（PSK调制）（2） 数字调制模块“键控调制类型选择”拨码开关拨成1001，即选择2PSK调制方式。（3） 以数字调制模块“NRZ输入”的信号为内触发源，示波器双踪观测“NRZ输入”和“调制输出”测试点波形。（4） 改变信号源模块NRZ码的码型，观察2PSK调制信号波形的相应变化。9、2PSK解调（1）以上模块设置和连线均不变，增加连线如下：数字调制模块 数字解调模块调制输出（数字键控法）（PSK调制）调制输入（PSK解调）（PSK调制）信号源模块 数字解调模块384K正弦载波 载波输入（PSK解调）（PSK调制）BS BS输入（PSK解调）（2）“解调类型选择”拨位开关拨到“PSK”一端；（3）示波器观测“相乘输出”、“滤波输出”测试点波形；（4）调节“PSK判决电压调节”旋转电位器，示波器双踪观测“滤波输出”与“判压输出”测试点波形，分析随判决电压值的不同，“判压输出”波形的变化10、数字信号的还原模拟信号数字化模块实验连线如下： 数字解调模块 模拟信号数字化模块解调输出（PSK调制） 解调输入模拟信号数字化模块 信号源模块解调输出 RIN用带话筒立体声耳机接收话筒语音信号，完成模拟语音信号抽样与还原的整个过程。六、课程设计内容数据及图片在用带话筒立体声耳机将语音信号输入混合调制系统之前，我们未知设计的混合调制系统是否能够将输入的数字信号以要求的标准输出，故我们先用信号源上的NRZ代替语音输入，对混合调制系统进行调制。下图为我们用NRZ代替语音信号的示波器波形测试图：NRZ码型NRZ码经过2FSK调制后的波形2FSK解调时的单稳输出12FSK解调时的单稳输出2过零检测滤波输出判压输出经过2FSK调制解调后的解调输出在经过2FSK调制解调后，再经过2PSK调制后的输出波形相乘输出滤波输出判压输出解调输出经过反复调制验证，说明本次我们采用的混合调制系统对标准的数字信号的调制已经达到要求，下一步即为将带话筒立体声耳机输入的语音信号，用A/D转换转换成数字信号，在代替NRZ信号输入；最后再通过D/A转换将数字信号转换成模拟语音信号，通过带话筒立体声耳机属楚即可。七、课程设计误差分析 在本次课程设计中，我小组首先设计了原理框图，对实验每个环节都进行示波器的示波检验，以验证每一步的正确性。在经过2FSK后，数字信号依然有正确输出，但是在经过2PSK后，信号就无输出。反复检查线路连接的原理框图之后，并未发现问题，在查询之前的实验指导书后，发现解调模块的“2PSK调制深度”旋钮对调制与解调输出结果有重要影响，所以在对“2PSK调制深度”旋钮进行调整之后，数字信号开始出现。随后再对2FSK的调制深度旋钮进行调解后将信号输出调制对家接收状态，最终问题解决。8、 课程设计心得很感谢老师能给我们这样一次宝贵的课程设计的机会,通过这次的课程设计我收获了许多，不仅对之前所学的通信原理知识进行了一次复习和巩固，也增强了自己的实验动手能力，同时也增进了自己对问题的思考和分析的能力，受益匪浅。 在课程设计的期初，原本以为通信原理课程设计难度应该很大，但在实践的过程中，虽然也碰到了许多困难，也是因为我们选取的系统比较复杂，但经过老师耐心的讲解和同学的帮助，我们还是设计出来了。通过这次的课程设计，我得到了坚持就是胜利的道理。 这次的课程