（通信与信息系统专业论文）利用扩频模块实现语音数据综合传输的实验系统.pdf

、 摘要 摘要回 f 近年来无线通信发展非常迅速，其中无线接入系统以其接入 的高度灵活性和方便性引起了广泛的关注。r 丫 本论文所介绍的是自行研制的利用无线方式实现话音和数据 综合传输的点对点的实验系统。f 该系统主要由无线扩频模块和基 带复用器组成，可实现一路话音和一路1 9 2 k b s 的异步数据的同 时传送。从话音用户的角度看，该系统相当于无线本地环路系统， 以无线方式取代有线的用户线；从数据用户的角度看，相当于点 对点的无线数掘通信。卜芍。 本论文主要讨论基带复用器的研制，对用户线接口和语音编 码、异步数据接口及速率适配、复用解复用、帧同步等技术进 行了研究，完成了系统设计、软件编写和硬件调试工作。( 系统采 用了自行定义的帧结构和信令，采用分散同步的方式插入同步 字。 ”。 ， 在发送端为了进行复用，要对模拟语音信号进行a d p c m 编 码，对异步数据的速率适配由单片机完成。编码后的语音信号和 完成速率适配的数据信号被送入可擦除可编程逻辑器件e p l d 进 行复用。另外e p l d 还要产生所需的时序信号和信令信号。在接 收端则完成解复用、解码和速率适配，恢复发送信号。 【关键词】无线接n 吼用户线接口，编解码，速率适配，复用 解复用，帧同步 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a s b e e ng r o w l n g r a p i d l y b e c a u s eo ft h eh i g h l yf l e x i b i l i t ya n dc o n v e n i e n c e w i r e l e s s a c c e s ss y s t e m sa r ea l s op a i dm u c h a t t e n t i o n t h i s p a p e r i n t r o d u c e sa p o i n t - t o p o i n te x p e r i m e n t a ls y s t e m ， w h i c hc a nt r a n s m i tv o i c ea n dd a t as i g n a l ss i m u l t a n e o u s l y b yw i r e l e s s t h i s s y s t e mc o n s i s t so faw i r e l e s ss p r e a ds p e c t r u mm o d u l ea n da b a s e b a n d m u l t i p l e x e r i tc a n p r o v i d e av o i c ec h a n n e la n da n a s y n c h r o n o u sd a t ac h a n n e lf o ra tm o s t19 2 k b sd a t ar a t e f r o mt h e v o i c es u b s c r i b e r sp o i n to f v i e w ，t h i ss y s t e mi sl i k eaw i r e l e s sl o c a l l o o p ( w l l ) s y s t e m ，w h i c hu s i n gw i r e l e s si ns t e a do fw i r ef o rt h e s u b s c r i b e r l i n e ；f r o m t h ed a t au s e r s v i e w , i ti s a p o i n t t o p o i n t w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n s y s t e m i nt h i s p a p e ri t f o c u s e so nt h er e a l i z a t i o no ft h e m u l t i p l e x e r , i n v o l v i n g s o m et e c h n o l o g i e ss u c ha st h es u b s c r i b e rl i n ei n t e r f a c e ( s l i ) ，t h ec o d i n ga n dd e c o d i n g ，t h ea s y n c h r o n o u sd a t ai n t e r f a c e ，t h e d a t ar a t e a d a p t i n g ，t h em u l t i p l e x i n ga n dd e m u l t i p l e x i n g ，t h ef r a m e s y n c h r o n i z a t i o na n ds oo n t h ew o r km a i n l yi n c l u d e st h es y s t e m d e s i g n ，s o f t w a r ep r o g r a m m i n ga n d h a r d w a r ea d j u s t i n g t h i ss y s t e m u s e st h eu s e r - d e f i n e df r a m es t r u c t u r ea n d s i g n a l i n g t h e s y n c h r o n i z i n g w o r d sa r ed i s p e r s e dt ot h ef l a m e t ot r a n s m i tt h e a n a l o gv o i c es i g n a l i nt h e d i g i t a ls y s t e m ，t h e s i g n a ls h o u l db ec o d e df i r s t t h ea s y n c h r o n o u sd a t ai sh a n d l e db y t h em i c r o c 9 n t r o l l e rt o a d a p tt ot h es y s t e md a t ar a t e t h e na l lt h e s e s i g n a l s a r e r e a d y t ob e m u l t i p l e x e d i nt h e e p l d ( e r a s a b l e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) t h ee p l d a l s o p r o d u c e s t h e n e c e s s a r yt i m i n gs i g n a l sa n ds i g n a l i n gf o rt h es y s t e m t h er e c e i v i n g s y s t e md o e st h er e v e r s ef u n c t i o n st or e c o v e rt h es i g n a l sc o r r e c t l y a b s t r a c t 【k e yw o r d 】w ir e l e s sa c c e s s d a t a r a t e a d a p t i n g f r a m es y n c h r o n iz a t i o n c r拈粕 o e c l p 【t【瞻c 盯 【 x l e s 以 tm 第一章绪论 1 1 无线接入网 第一章绪论 1 1 1 用户接入网的基本概念 在市内电话网中，一般把从交换机到用户电话机之问的连接 线路称为用户环路或本地环路。通常，用户环路都采用双绞线或 电缆线路的有线连接，如图1 。1 所示。 幽1 1 、有线本地环路模础 用户环路的连接是从用户住所的引线下端用单对引入线连接 到一个引入线终端。该引入线终端一般用一条1 0 - 2 5 对对绞电缆 连接到一个交叉连接箱，交叉连接箱用馈线( 铜缆或光缆) 连到 程控交换机，全部采用有线网络。 随着技术的发展，电信网上采用了大量新技术，程控交换、 光缆、卫星、数字微波、s d h 、a t m 等。电信业务的种类也越 来越多、信道带宽越来越大、质量和可靠性越来越高。而用户环 路采用双绞铜缆线对占主导地位的传输设施现状，直接影响了电 信网所提供业务的容量、质量、成本以及网络资源的开发利用。 为此，国际电信联盟标准部( i t u t ) 正式提出了用户接入 网( 简称接入网) 的概念，并在g 9 0 2 建议中对接入网的结构、 功能、接入类型、管理等方面进行了阐述。用户接入网一般指市 话端局或远端交换模块( r s u ) 与用户终端之间的网络部分( 通 笫一章绪论 常不含市话端局与r s u 之间的部分) ，它主要完成交叉连接、复 用和传输功能，一般不含交换功能；它可适用于所有的业务和技 术，独立于交换机并不限定于电话网。 接入网在整个电信网中的位置可从图1 2 看出。 u“l$tlis l q i u n i il 、飞ii 匪叵卜_ h ! 翌卜k 崭娴) _ t 巳雯 - _ 回 c p m 用户驻照商 用户驻地闩 l y l i i 。用户阳捃接口 s m ：, i v 备臂点接口 幽1 2 、公用电信网组成示意幽 其中用户驻地网( c u s t o m e rp r e m i s e sn e t w o r k ，c p n ) 是指用 户终端至用户与网络的接口之间所包含的设备，出完成通信和控 制功能的用户驻地伟线系统组成，使用户终端可以灵活方便地接 入接入网。核心网( c o r en e t w o r k ) 包括公用电话网中的长途网 和局f s j 中继网，也就是将市话端局以上的部分称为核心网。相对 于核心网而言，将市话端局或远端模块以下的网络部分称为用户 接入网，它主要完成使用户接入到核心网的任务。 1 1 2 无线接入网和无线本地环路 无线接入网是指对用户环路的全部或部分传输设施，采用无 线手段的接入技术，向用户终端提供电话和数据服务。无线接入 是一个涵义非常广泛的概念，只要能将无线技术用于接入网的一 部分，无论是固定接入还是移动接入，也无论服务半径多大和服 务用户数多少，都可以归入无线接入技术的范畴。 标准无线接入网的结构如图1 3 所示，由基站和用户单元组 成。无线基站包括基站收发信机、基站控制器，它提供一个面向 程控交换机的标准网络接口v 5 接口和面向用户侧的空中接 口，并完成无线接口的认证和保密、无线资源管理、用户单元登 记、路由选择、计费、维护以及协议转换等功能。用户单元包括 收发信机，并提供一个面向基站的无线接口和面向用户的传统接 第一章绪论 i _ ( 如r j l l 、r j 4 5 等) 。传统接口实现协议转换、代码转换、认 证、本地供电等功能。交换机与基站之间用数字传输系统( 光纤、 电缆或微波) 相连。基站把网络侧进来的符合网络标准的数字信 号，转换成数字空中接口信号。用户单元接收基站送来的无线信 号，并将其转换成模拟信号或标准数字信号，再用有线手段与用 户设备( f 乜话棚等) 相连。 艴亭千譬犏币缋 v 5 接口 口 十譬鼓接r n k l l l 1 u 4 5 幽i 一3 、标准无线接入网结构 无线接入网要求可为用户提供与有线接入具有同样的话音质 量的电话业务和9 6 k b s 的数据业务。 标准v 5 接口是i t u t 于1 9 9 4 年专为接入网定义的本地交换 机与接入网之阳j 的丌放的数字接口，其接口规范包括v 5 1 接口 和v 5 2 接口。v 5 1 接口由单个2 0 4 8 k b s 链路构成，时隙与! 世务 通道一一对应，不含集线功能；v 5 2 接口按需可以由l 1 6 个 2 0 4 8 k b s 链路构成，并支持集线功能，时隙动态分配。v 5 接口 是一种综合的业务节点接口，支持的业务类型包括普通电话业 务、i s d n 和专用线业务等。 公共空中接口包含无线接口、信令和语音编码等内容。无线 接口用于规定载波的详细标准和工作方式，如无线频道划分、无 线调制方式、多址双工方式、发射功率、接收机灵敏度等。公共 空中接口是连接基站和用户单元的专用接口，对不同的接入方式 有不同的内容。 在接入网中要求支持多个用户同时接入，需要采用多址技 圜 矽 第一章绪论 术。无线接入网的多址技术主要有以下三种方式：频分多址 ( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。 无线基站的覆盖范围主要由发射功率、接收机灵敏度和天线 增益等因素决定，通常分为三种类型： ( 1 ) 宏区：覆盖半径1 2 0 公罩，主要适用于城市郊区、农 村、山区、沿海及沙漠地区。 ( 2 ) 微区：覆盖半径0 1 - 1 公里，适用于城市市区和农村人 口比较密集地区。 ( 3 ) 微微区：覆盖半径大约在1 0 0 米以下，适用于城市人 口特别密集区段或建筑物内。 无线本地环路( w i r e l e s sl o c a ll o o p ，w l l ) 又称固定无线 接入( f i x e dw i r e l e s sa c c e s s ，f w a ) ，是一种提供基本电话业务 的数字无线接入系统，可看作是无线接入网的一种形式。其网络 侧具有标准有线接入的二线模拟接口或2 m b s 数字接口，可直接 与公用电话网的本地交换机相连，用户侧与普通电话机相连，可 直接代替有线接入系统提供同等质量的电话业务。 一个典型的无线本地环路系统由三个主要部分组成，即网络 侧的基站控制器( 又称局端机或无线端口控制器r p c u ) ，无线 基站( 又称无线端口r p ) ，以及用户单元。由交换机线路口来的 音频语声信号经基站控制器的a i d 转换、信号集中、呼叫处理传 输和回波抵消处理后，由主干数字传输系统( 双绞线、光纤或数 字微波) 传输至无线基站，再经数据压缩、时分复用、调制和射 频传输后，由全向或定向天线传给用户单元的固定接收天线，解 调和处理后再经d a 转换回语声信号传送给电话机。用户单元通 常有单用户和多用户两种。 与有线接入相比，无线接入有如下特点： 1 安装方便灵活，建设速度快。 在用户侧无线接入设备简单，对安装现场无特殊要求，只需 安装基站和架设天线，建设周期短。有线本地环路则需挖沟埋缆， 或竖杆架线，建设周期长。 对于临时的应急性的需求，可以迅速投入使用。在某些自然 第一章绪论 条件比较恶劣的地区，如地势陡峭或经常有雷雨大风天气，架设 和维护电缆都很困难，采用无线接入网就更能显出其优越性。 2 安全可靠，造价低廉 无线通信系统比有线电缆更容易查找和排除故障。无线终端 收发信机的价格和施工费比铜缆要低廉的多，可以为用户和投资 者节省大量的费用。 无线接入网可以应用在人口稀少的农村及边远地区、城市新 兴商业区和居民区以及难于架设有线的地区和应急通信。它是现 有的市话网的延伸和补充。从技术的角度讲，无线接入用户通常 是固定式用户，有时可在小范围内移动，只能在无线基站的覆盖 范围之内获得电话服务，不能实现越区切换、漫游等功能。因此 从这个意义上讲，无线接入网不具备和移动网竞争的能力，但可 以作为移动网的补充。 1 2 无线数据通信 近年来，无线通信以其接入的方便性和灵活性极大地满足了 人们随时随地接入网络、接受服务的需求。在传统的话音业务快 速增长的同时，数据业务也呈现出了高速增长的势态，i n t e m e t 用户每年增长超过一倍。便携式计算机的r 益小型化和无线传输 技术的发展必将推动无线数据通信技术的发展。 无线局域网是目前发展比较迅速的一种无线数据传输系统。 一般来讲，凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可称为无线 局域网。无线局域网的传输媒体可为无线电波或红外线。采用无 线电波作为传输媒体时根据调制方式不同，分为扩展频谱方式和 窄带调制方式。 无线局域网的拓扑结构可归结为两类：无中心( 也称对等式) ( p e e r t o p e e r ) 拓扑和有中心拓扑。如图1 4 所示。 鹕一章绪论 p c ( t ) 无中心佑扑 p c ( b ) 有中心培朴 幽1 4 、无线局域网的拓扑结构 1 无中心拓扑结构 无中心拓扑结构的网络要求网中任意两个站点均可直接通 信。采用这种拓扑结构的网络一般使用公用广播信道，各站点都 可竞争公用信道，而媒体接入控制( m a c ) 协议大多采用载波 监听多址接入( c s m a ) 类型的多址接入协议。这种结构的优点 野。 n丁主罩一5 鳓 域。 鹕一章绪论 是网络鲁棒性好，建网容易，且费用较低。但当网中用户数( 站 点数) 过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害；并且为了满 足任意两个站点可直接通信的要求，网络中站点布局受环境限制 较大。因此这种网络拓扑结构适用于用户数相对较少的工作群网 络规模。 2 有中心拓扑结构 在有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站，所有 站点对网络的访问均由其控制。这样当网络业务量增大时网络吞 吐性能及网络时延性能的恶化并不剧烈。由于每个站点只需在中 心站覆盖范围之内就可与其它站点通信，故网络中站点布局受环 境限制小。另外中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑接入 点。有中心网络拓扑结构的弱点是鲁棒性差，中心站点的故障容 易导致整个网络瘫痪，并且中心站点的引入增加了网络成本。 在实际应用中，无线局域网往往与有线主干网络结合起来使 用。这时，中心站点充当无线局域网与有线主干网的转换器。 网络接口是指无线局域网从哪一层接入网络系统。一般来 讲，网络接口可以选择在o s i 参考模型的物理层或数据链路层。 所谓物理层接口是指使用无线信道替代通常的有线信道，而 物理层以上各层不变。这样做的最大优点是上层的网络操作系统 及相应的驱动程序可不做任何修改。这种接口方式在使用时一般 做为有线局域网的集线器和无线转发器以实现有线局域网问互连 或扩大有线局域网的覆盖范围。 另一种接口方法是从数据链路层接入网络。这种接口方法并 不沿用有线局域网的m a c 协议，而采用更适合无线传输环境的 m a c 协议。在实现时，m a c 层及其以下层对上层是透明的，配 置相应的驱动程序来完成与上层的接口，这样可保证现有的有线 局域网操作系统或应用软件可在无线局域网上j 下常运行。目前， 大部分无线局域网厂商都采用数据链路层接口方法。 图1 5 为无线局域网的组成示意图。 第一章绪论 有线骨干网 a p ：接人点( a c c e s sp o i n t ) b s a ：基本服务区( b a s i cs e r v i c ea r e a ) e s a ：扩展服务区( e x t e n d e ds e r v i c ea r e a ) 幽1 - 5 、无线局域网的组成 连接在网中的设备称为站，这些站可以是台式计算机、便携 式计算机，也可以是其它智能设备，如个人数字助理( p d a ) 、 智能控制装置等。这些站可以为固定站、半移动站或移动站。固 定站指固定使用的计算机，有线局域网中的站均为固定站；半移 动站指经常改变使用场所的站，但在移动状态下并不要求保持与 网络的通信；移动站指经常改变位置且在移动状态下要求保持与 网络的通信，这种站是传统的有线局域网中所没有的。 由于使用无线传输媒体，在天线辐射功率一定的情况下，无 线局域网中站和站之间的通信距离受到限制。其服务区域分为基 本服务区( b s a ) 和扩展服务区( e s a ) 。基本服务区指由无线 局域网中站的无线收发信机及地理环境所确定的通信覆盖区域。 为了有效地利用无线资源，基本服务区不能太大，一般为1 0 0 米 以内。 在图1 5 中，为了扩大无线局域网的覆盖区域使用了无线接 笫一章绪论 入站( a p ) ，把基本服务区与骨干网( 通常为有线局域网) 相连。 与同一个骨干网相连的多个基本服务区中的站经由接入站与有线 骨干网相连，构成了扩展服务区。典型的扩展服务区覆盖范围在 几公罩左右。 基本服务区的组网方式有三种：无中心的分布对等方式、有 扎c 、的集中控制方式以及前两种方式的混合方式。其拓扑结构如 图1 4 所示。 无线局域网协议的标准化工作主要在逻辑链路层( l l c ) 以 下，即媒体接入控制( m a c ) 层和物理层，采用8 0 2 1 1 协议， 如图1 6 所示。 i e e e 8 0 22 i e e e 8 0 2 1 0 m a c 物理层 8 0 21 1 幽1 6 、无线局域网的协议 无线局域网的物理层主要由所使用的无线频段及调制方式决 定。目前使用的无线频段主要有1 g h z 一3 g h z 、1 0 g h z 一3 0 g h z 、 红外线等。 无线局域网的m a c 协议与有线局域网的m a c 协议并无本 质上的差别。但是由于无线传输媒体固有的特性及移动性的影 响，无线局域网的m a c 协议不能沿用原有的局域网协议，在差 错控制等方面应有别于有线局域网。 第一章无线衍爵数据传输实验系统的改汁 第二章无线话音数据传输实验系统的设计 2 1 系统总体设计 下面将要介绍的系统为自行设计研制的点对点无线扩频通信 实验系统。将通信双方中网络侧称为主站，用户侧称为从站，这 是根据它们在通信系统中的地位来决定的。主站的一方通过二线 用户线与本地交换机相连接，从站的一方与用户的终端电话机相 连接。其系统结构如图2 1 所示，分终端、复用器和无线传输模 块三部分。 幽2 1 、系统结构 该系统提供两个独立信道，一路为3 2 k b s 的a d p c m 普通话 音信号，可接双音多频( d u a lt o n em u l t i f r e q u e n c y ，d t m f ) 话 机，其功能与操作方法和普通电话机相同；一路为1 9 2 k b s 的异 步数据信号，可直接与计算机r s 一2 3 2 串口相连接。 无线传输模块采用了深圳市威迪森通信技术有限公司的w d c 无线数字扩频模块。该模块以扩频芯片s t e l 2 0 0 0 a 为核心，采用 直接序列扩频方式，中心频率为3 3 6 3 4 4 m h z ，工作方式为半双 1 ：收发方式，码片速率为4 4 4 4 m c h i p s 。该模块共有8 种工作模 式，如表2 - 1 所示。 在本系统中选用了该模块的工作模式8 ，即6 3 位m 序列扩 频码，采用b p s k 调制，最高数据传输速率为7 0 k b s 。这个数据 凰。佃一 年捌曩 f 一 子 垦。鼾 第一二帝尤线讯爵数据传输实验系统的设汁 率决定了所传输的数据和话音的最高总信息速率。 表2 1 、扩频模块【作模式 l 模式 l2345678 自频鸽巴克巴克 m 序m 序m 序m 序m 序m 序 码硝列列列列列列 打频码k 1 l1 1l5 153 l3 】6 36 3 洲制方 q p s k b p s k q p s k b p s k q p s k b p s k q p s k b p s k 数据速砖| 【b s ) 8 0 8 k4 0 4 k5 9 2 k2 9 6 k2 8 6 k1 4 3 k1 4 l k7 0 k 出于从电话机或交换机出来的语音信号是模拟信号，而复用 器要处理的信号是数字信号，因此必须先将模拟语音信号进行数 字化。如果采用p c m 编码方案，抽样频率为8 k h z ，每个样值 编8 位码，那么编码后的语音信号速率为6 4 k b s ，这样可传输的 数据速率最高为6 k b s ，显然这个速率是非常低的，在实际中并 不实用。要降低语音信号的编码速率，以提高数据传输速率，为 此采用了3 2 k b s 的a d p c m 编码方案。这样允许传输的数掘速 率最高为3 8 k b s ( 估算) ，基本可以满足低速率数据通信的应用 需求。但必须注意，这只是大致的估算，由于话音和数据信号是 采用固定接入方式以组帧的形式实现复用的，因此具体的数据传 输速率还要受帧格式的限制，这将在下面的章节进行讨论。 2 2 设计实现的技术重点 本论文主要是分别完成对电话机和交换机侧的用户接口电路 的设计并又l j 信号进行3 2 k b sa d p c m 编解码，完成计算机接口 电路设计以及复用解复用器的设计，这部分是与无线扩频模 块接口之前的基带部分的设计与实现。在这个设计中有一些实现 上的重点和难点。 1 系统同步 ( 1 ) 位同步 系统的位同步信号由所用的无线扩频模块提供。即主站和从 站分别从各自的无线扩频模块获取时钟信息，主站和从站扩频模 第二章无线话爵数据传输实验系统的吐计 块之间的同步由模块本身完成。这样就可以实现全系统的位同 步。 ( 2 ) 帧同步 在本系统中，语音和数据信号的复用是以组帧的方式实现的 信息固定接入，帧频为8 k h z 。因此必须要考虑帧同步的问题， 包括帧同步字的安排、帧同步字的检出、保护和跟踪等。 2 时序 本系统的语音和数据两种信息的复用为时分复用方式，各个 时序信号之| 日j 要保持严格的时序关系。 3 语音接口及信令 语音接口部分为模拟电路，要检测用户线路状态并输出相应 的指示信号，根据不同的指示信号插入不同的信令，接收端根据 信令控制用户接口电路的动作。 4 异步数据的复用 本系统与终端计算机之间所用时钟是异步的，而系统复用采 用的是同步复接方式，因此计算机的异步数据在复用前要进行速 率适配，成为与系统时钟同步的信号，力能进行同步复用。 下面先简要介绍一下工作中用到的一些工具软件，具体的硬 件和软件设计将在后续章节介绍。 2 3 工具软件的介绍 2 3 1m a x + p l u s i i 软件包 美国a l t e r a 公司的m a x + p l u si i 开发系统是一个完全集成 化的可编程设计环境，可在多种平台上运行。m a x + p l u si i 是 m u l t i p l ea r r a ym a t r i xa n dp r o g r a m m a b l el o g i cu s e rs y s t e m 的缩 写。m a x + p l u si i 可与多种其它e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i c ，电子设计自动化) 工业标准的设计输入、综合与校验 工具相连接，非常方便。其设计输入、处理与校验功能全部集成 在统一的开发环境下，这样可以加快动态调试，缩短开发周期。 m a x + p l u si i 还提供了丰富的库单元可以调用，大大减轻了设 第一章无线活啬数据传输实验系统的设十 计人员的工作量。 m a x + p l u si i 软件由设计输入、设计处理、设计校验和器 件编程四个部分组成。 m a x + p l u si i 软件允许多种设计输入方法，主要包括原理 图输入方式、文本设计输入方式、波形设计输入方式，层次设计 输入方式和底层设计输入方式，还可以利用工业标准的e d a 设 计输入工具生成的设计文件，该软件把这些设计输入方式综合为 一个设计体系，并允许信息在各应用程序问自由转换。设计人员 可以根据自己的实际情况灵活选择使用。 m p 蚺p l u si i 处理一个设计时，c o m p i l e r ( 编译器) 在设计 文件中读取信息并产生编程文件和仿真文件，t i m i n g a n a l y z e r ( 定 时分析程序) 可分析设计的定时，m e s s a g ep r o c e s s o r ( 信息处理 程序) 可自动定位错误。 设计校验过程包括设计仿真和定时分析，其作用是测试逻辑 操作和设计的内部定时。 m a x + p l u si i p r o g r a m m e r ( 器件编程) 是使用c o m p i l e r 生 成的编程文件对a l t e r a 器件进行编程，它可以用来对器件编程、 校验、试验，检查是否空白以及进行功能测试。 m a x + p l u si i 软件的设计流程应包括以下几个部分，如图 2 - 2 所示。 ( 1 ) 设计输入。可以采用原理图输入、硬件描述语言( h d l ) 输入、网表读入及波形输入等方式。 ( 2 ) 功能仿真。此时为0 延时方式，主要为检验输入是否 有误。 ( 3 ) 编译。主要完成器件的选择及适配，逻辑的综合及器 件的装入，延时信息的提取。 ( 4 ) 后仿真。将编译产生的延时信息加入到设计中，进行 布局粕线后的仿真，是与实际器件工作时的情况基本相同的仿 真。 ( 5 ) 编程验证。用后仿真确认的配置文件经e e p r o m 或编 程电缆配置c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) ，加入实际激励，进 第一章无线衍奇数据传输实验系统的驶汁 行测试，以检查是否完成预定功能。 以上各步如果出现错误的现象，则需重新回到设计输入阶 段，改正错误或调整电路重复上述过程。 幽2 - 2 、m a x + p l u si i 的设计流稗 2 3 2p r o t e l 软件包 p r o t e l 软件包是澳大利亚p r o t e l 公司开发的用来进行电路原 理图及印刷电路板设计的软件，有面向d o s 和w i n d o w s 两类版 本。本设计中所用的p r o t e l2 8 是面向w i n d o w s 的版本，包括进 第一章无线计爵数据传输实验系统的设计 行原理图设计的a d v s c h 组件和进行印刷电路板设计的 a d v p c b 组件。 a d v s c h 提供了多种标准大小的图纸规格，用户可以根据需 要选取相应的图纸大小。 在a d v s c h 组件中包含一个相对独立的元件库编辑器，该 编辑器可以浏览原有的元件库、修改原有的元件库以及建立新的 元件库。 a d v s c h 支持层次式的电路图设计，可以将一个电路分割 成多个模块进行设计，这在大型电路设计时可以使设计变得简 单、系统、方便。在主图和子图之间可以进行方便的切换，而且 可以由主图中的方块电路生成予图，或由子图生成方块电路，以 保证主图与子图之间保持正确的对应关系。 另外a d v s c h 还可以对原理图进行电气规则检查，以发现 电路中出现的各种类型的错误。这些规则可以由用户根据需要自 行修改，使用非常方便。 a d v p c b 提供了一套功能强大而有高度灵活性的设计规则， 并能依据这些规则对电路板图进行实时和批次检查，帮助准确快 速地完成电路板设计工作，包括能够完成高质量的自动布线工 作。虽然自动柿线的结果有时不太令人满意，但经过手工调整后 仍能取得满意的结果，而且大大缩短了设计周期，不失为一种好 的设计方法。 2 3 3 单片机开发工具 单片机的丌发工具主要有两大类型：一是编程器，它的功能 是把数据和程序写入单片机中；另一类是仿真器，它的作用是对 用户设计的以单片机为控制器的系统进行仿真调试。 1 w a v e 软件包 南京伟福实业有限公司生产的伟福( w a v e ) 系列仿真器是用 来对单片机进行程序代码的编译和仿真的软件包。它有面向d o s 和w i n d o w s 两种版本。 伟福软件的w i n d o w s 版本功能强大，有中文、英文界面可选， 第一章尤线矸占数据传输实验系统的设汁 对用户源程序的大小没有限制，同时它还支持a s m ，c ，p l m 语言的混合编程。该软件具有项目管理功能，为用户的资源共享 提供了有力的手段。它支持点屏显示，只需用鼠标左键点一下源 程序中的某一变量，即可显示该变量的数值。它有丰富的窗口显 示方式，可多方位、动态地显示仿真的各种过程，使用非常方便。 另外它支持多种类型单片机的软件模拟仿真和硬件仿真。使用软 件仿真时，不要仿真器也能模拟仿真，这给没有硬件仿真器的用 o 带来了极大的方便。 2 s u p e r p r o 编程器 陔编程器( 包括软、硬件) 是x e l t e k 公司生产的通用器件 编程器。该编程器直接接在计算机的并v 1 就可以工作了，不需另 加插卡，安装、携带都非常方便。 陔编程器可以对多种类型的可编程只读存储器( p r o g r a m m a b l e r e a do n l ym e m o r y ，p r o m ) 、紫外线可擦除只读存储器( e r a s a b l e p r o g r a m m a b l er e a do n l ym e m o r y ，e p r o m ) 、可编程逻辑器件 ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，p l d ) 、单片机( m i c r o c o n t r o l l e r ) 等进行编程，也可以对t t l 和c m o s 器件进行矢量测试，看芯 片是否完好。 对单片机编程时可以通过菜单选择芯片类型，检查芯片是否 为空。如果非空可以将原内容先擦除，再将二进制或十六进制的 文件写进芯片。可以将写入的内容从芯片读出，与原来的文件进 行比较，看是否一致。全部这些操作都可以通过菜单选项完成， 使用非常方便。 笫三章语卉和数据接口l 也路的实现 第三章语音和数据接口电路的实现 3 1 语音接口电路的实现 3 1 1 用户环路信号的分析 在电话网中，要在两部话机之间建立起双向语音传输通路需 要许多设备共同完成，包括用户环路、交换部分和局间传输设备。 用户环路是指用户话机和交换机之间的连接部分，也叫配线 网络。用户环路的a 、b 两根用户线上传输的信号除了语音信号 外，还有一4 8 v 直流电压和铃流等带外信号。而在程控数字交换 机中，交换网络是数字化、集成化的，直流和电压较高的交流信 号都不能通过，否则会损坏交换网络。故用户线在进入交换系统 前，首先要进入用户电路( s l c ，s u b s c r i b e rl i n ec i r c u i t ) 。用户 电路是用户线和交换网络或其它电路( 如扫描电路) 间必不可少 的接口电路，被称为s l i c ( s u b s c r i b e rl i n ei n l e r f a c ec i r c u i t ) ，如 图3 1 所示。 嚣 图3 - 1 、数字交换机州户电路框幽 数字交换机的用户电路具有七种功能，这七种功能常常简称 为b o r s c h t 功能。它来源于英语七种功能头一个字母的组合。 对于模拟交换机的用户电路，除没有编码功能外，其它六种功能 完全一样。这七种功能分别是： ( 1 ) 馈电( b a t t e r yf e e d i n g ) 蒂驺 一臂一 第三章语爵和数据接口l u 路的实现 在通话期阳j ，对用户话机及用户线要连续馈电。目前列用户 的馈电分为两类：一类为电压型馈电，交换机向用户提供定值的 电压。该馈电电压可为一4 8 v ，一些小型交换机采用一2 4 v 电压。 有时为了满足远距离用户通话需要也可使用一6 0 v 电压：另一类 为电流型馈电，由交换机向用户提供定值的电流，这种馈电方式 要采用反馈控制环路来进行调节。 ( 2 ) 过压保护( o v e r v o l t a g ep r o t e c t i o n ) 用户线是外线，可能受到雷电袭击或高压电线碰撞，如果高 几i 进入交换机，交换机内部会被损坏。因此用户线进局时首先接 到总配线架上，一般在总配线架上装有气体防雷器防止雷电电 压。这就是人们常晓的一次过压保护。但由于防雷器输出的电压 仍可能达到上百伏，这个电压对集成化的用户电路及数字交换网 络来说，仍存在破坏性，所以在用户电路也采用了过压保护电路， 此过压保护属二次过压保护。 用户电路中的过压保护原理是利用二极管组成箝位电路，如 图3 - 2 所示。 图3 - 2 、过压保护电路 图3 2 冲d 1 d 4 箝位二极管平时都受到电源电压所加的反偏 置，e 为馈电电压。对于| - e | ( 绝对值) 以内的j 下常电压，二极 管都处于截止状态。只有当输入电压大于i e l 值时，二极管导通， 过压被筘位在| - e i 以内，起到保护作用。 图中r 也可用热敏电阻，电流大时，阻值增大，也起到过压 第三章语舟和数据接口i u 路的实现 保护的作用。 ( 3 ) 振铃( r i n g i n g ) 振铃电压较高，我国规定为9 0 v 2 0 v 。在数字交换机中， 这样的高电压是不允许进入交换网络的。因此，铃流经由用户电 路送出，由软件控制振铃继电器的动作，以向被叫用户振铃。振 铃期间将出振铃继电器断开通向用户电路其他部分的电路。当被 叫应答时，应答信号可由环路监视电路检测或由振铃回路监视电 路检测，立即截断送铃流回路，停止振铃。 ( 4 ) 监视( s u p e r v i s i o n ) 它实际上是扫描电路的一部分，通过对用户扫描点的监视， 可以检测到用户的摘挂机、拨号等信息。这种监视电路的工作原 理是利用用户状态由a 、b 线回路的通和断反映，形成不同的环路 电流，再由串联电阻转换成电压的变化检测，示意图如图3 3 所 不。 r 铀曲 幽3 - 3 、州户状态检测示意图 ( 5 ) 编译码器( c o d e c ) 编译码器由编码器( c o d e r ) 和译码器( d e c o d e r ) 组成，简 称为c o d e c 。在实际应用中，c o d e c 通常与滤波器以及增益调整 器配合使用，完成模数( a f d ) 和数模( d a ) 变换功能。 用户电路中的单路编译码器，对每个用户实行编译码，把来 话的模拟话音信号转换为p c m 编码信号；把去话的p c m 编码信 号转换成模拟话音信号，然后合并成p c m 的串行比特流。在模 拟交换系统中则无此部分。 ( 6 ) 混合电路( h y b r i dc i r c u i t ) 又叫- 四线转换器。它的作用是把来话和去话的话音分丌， 箔二章语哥和数据接口电路的实现 以便进入交换网络或编译码电路。原来的混合电路采用混合线圈 束实现，现在采用集成电路来实现。本实验系统中所采用的用户 接口电路m c 3 4 1 9 和m h 8 8 6 3 2 都具有这项功能。 ( 7 ) 测试( t e s t ) 测试功能实际上是提供测试入口，可由测量台控制，通过继 电器的动作，将用户线的外线和内线接到用户测试设备分别进行 测试。 应该说明的是，并不是一块集成电路就可以完成所有这些功 能，而是需要许多电路共同配合完成。 3 1 2 信令系统 无论何种电信网络的用户，要能f 常地使用该网络提供的业 务，必须能够与网络建立正常的接续，这就需要信令的配合。信 令就是用来控制交换机动作的操作命令。 按信令的作用区域划分，有用户线信令( s u b s c r i b e rl i n e s i g n a l l i n g ) 和局间信令( i n t e ro f f i c es i g n a l l i n g ) 。用户线信令是 在用户与交换机之间的用户线上传送的信令；局问信令是在局问 中继线上传送的信令。 电话机要f 常工作，必须与交换机之间相互交换信令，这些 信令属于用户线信令，包括两类，一类是用户状态信令，如摘挂 机、示忙等；另一类是地址信令，即主叫用户发出的被叫号码。 从用户侧来说，用户能够听到的信号包括振铃声和音信号， 这是交换机送来的。其中振铃声是在挂机状态下听到的5 秒周期 断续信号( 1 秒响，4 秒断) ，这是交换机送来的频率为2 5 3 h z 、 电压为9 0 2 0v 的交流断续信号接到电话机的极化铃或电子铃 上而发出的，又称铃流：音信号是摘机状态下或通话过程中听到 的信号，主要包括发号音、忙音、回铃音等。这些信号的频率采 用4 5 0 h z 、9 5 0 h z 或1 4 0 0 h z ，均在话音音频( 3 0 0 3 4 0 0 h z ) 范 围内，故称音信号。在本实验系统中对这些信号不另作考虑，将 其与话音一起进行编解码，到交换机或话机端再做处理。 同时电话机也要向交换机发信号，这些信号包括反映电话机 第三章语音和数据接口电路的实现 状态的摘挂机信号和用户拨出的电话号码。对双音多频( d u a lt o n e m u l t i - f r e q u e n c y ，d t m f ) 话机来说，其话机在发送地址信令时， 每一位号都用两个单频信号的组合来表示，这些单频信号 ( 6 0 0 - 1 7 0 0 h z ) 也处于音频信号范围内，处理方法与从交换机来 的音信号相同。 这样在实验系统中需要特别考虑的信号包括摘挂机和振铃信 号，其它都作为一般的音信号，不需要特别考虑。上文所提到的 数据，如一4 8 v 直流电压和2 5 h z 、9 0 v 交流电压等，都是原邮电 部规定的公网的入网值，在本实验系统中稍有不同，稍后会详述。 3 1 3 接口电路设计 经过查阅资料、分析比较，本系统选择的用户侧用户环路 接口集成电路为m o t o r o l a 公司的m c 3 4 1 9 - 1 l ，交换机侧为m i t e l 公司的m h 8 8 6 3 2 。 m c 3 4 1 9 - 1 l 是m o t o r o l a 公司生产的模拟用户线接口电路，为 1 8 引脚的双列直插封装。该电路可以完成b o r s h t 功能，被广 泛用于电话设备、用户载波系统与程控交换机中。该集成电路的 输入负电源电压可以为一2 0 5 6 v ，在实验系统中选取了2 4 v 。 该芯片可以进行主叫用户话机的摘挂机状态检测，具有“回 差”检测的特性。当话机处于挂机状态时，环路呈高阻( 理想情 况应是丌路) ，只有当外接电阻( 包括话机和线路电阻) 小于某 个阈值( 典型2 5