PCM通信系统设计--武汉理工大学

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级：电信1102班指导教师：吴巍工作单位：信息工程学院题 目：pcm通信系统设计初始条件：具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路 的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基 本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等 具体要求）1、pcm码速率128kb,两路时分复用，通信双方有线连接, 语音信号无明显失真，采用a律压缩13折线芯片；2、系统时钟信号频率2. 048mhz,时隙同步信号频率为8khz；3、选用相应合适的芯片，设计确定电路形式，对单元电路 和

2、整体系统进行计算、仿真验证。4、安装和调试整个电路，并测试出结果；5、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。 时间安排：二十二周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试 指导教师签名：年 月日系主任（或责任教师）签名：年 月日摘要随着现代通信技术的发展，语音信号的数字化处理在现代通信技术中的应用 越来越广泛，本文简单的介绍了使用时分复用和pcm的a律编码调制的方法传输 2路话咅信号的过程。通过运用system view可以构造各种复杂的数字、模拟、 数模混合系统以及各种速率的通信系统。system view主要用于电路与通信系统 的设计和仿真。利用system view软件，仿真通信系统，

3、可以进一步加深了对通 信原理的更好的更深层次的理解。基于system view的pcm通信系统的仿真模型, 不但能够反映pcm通信系统的动态运行的工作过程，其可视化界面也具有很好的 演示效果和形象的结果展示，这样为通信系统的设计和研究提供强有力的工具， 也为学习通信系统理论提供了一条非常好的途径。虽然理论与实际还会有很大的 偏差，所以在设计时还需要考虑各种线性或非线性的干扰和各种噪声等因素的影 响。目录摘要01 pcm原理概述21 1 pcm 概念21 2 pcm原理框图21.3 pcm量化过程31.3. 1 抽样31.3.2量化31 4 pcm 编码42时分复用原理63电路设计93. 1电路

4、工作原理93.2仿真模块电路113. 2. 1 pcm编码模块113.2.2时分复用模块113.2.3语音信号发生器123. 2. 4位同步信号及帧同步信号133.2. 5解时分复用模块143.2.6 pcm的译码器模块154总电路图175仿真波形186实物焊接与调试236. 1实物电原理图236.2 pcm通信系统布线图246. 3 pcm 实物调试247心得体会26参考文献271 pcm原理概述1 1 pcm概念脉冲编码调制(pcm)广泛应用于通信系统中，并h己被国际电报电话咨询委 员会建议为现今数字传输和将来数字综合业务网(isdn)的标准接口信号。它不仅 用于传输终端，在数字程控交换系

5、统中也是按pcm标准，将模拟信号转换为数字 信号，再进入交换网络实现交换。不仅如此，在当前颇为广泛研究、开发的用户 线的传输系统中，也是用pcm信号作为基础。pcm制式能如此广泛地被人们接受, 其主要原因有二:其一是这种非线性瞬时压扩的方法简单，不需有复杂的信号处 理技术就可以实现数据率压缩;而无任何信号的迟延，第二是基于对话路频带信 号的波形采样的瞬时处理，因此不仅对话音有高质量的信噪比，而且对现有模拟 通信网话路通道屮的所有信号，如电话随路信令、各种效率的带内数据信号、传 真信号、电报信号以及书写电话等都可不受影响地进行编码传输。也就是说，pcm 调制方式可保持原有话路通路的透明性，这是通

6、信网设计中十分重要的条件。虽 然pcm制式有不允许在误码大(如10')的传输通道中使用等缺点，但是由于有上 述优点而被广泛重视与发展。它必定也是将来综合数字网中的主要调制方式。12 pcm原理框图所谓脉冲编码(pcm)调制，是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式， 其最大的特征是把连续的输入信号变换为在时间域和振幅域上都离散的量，然后 再把它变换为代码进行传输。其系统原理框图组成示于1. io图1.1 pcm通信系统方框图13 pcm量化过程1.3.1抽样抽样是对模拟信号进行周期性的扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散 的信号。我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息，即能无失

7、真地恢复 出原模拟信号，抽样速率的下限由抽样定理确定。1.3.2量化量化是将样值幅度取值连续的模拟信号变成样值幅度取值离散的数字信号。 即是将信号的幅度取值限制在有限个离散值上。只要信号的幅值落在某一个量化 级内就用该级内的中间值或起始值来代表该信号的量化值。信号的量化方法通常 有两种：（1）均匀量化；（2）非均匀量化。本设计由于采用采用a律压缩13折线， 故只介绍非均匀量化。非均匀量化的量化间隔是不相等的，大信号区的量化间隔大，小信号区的量 化间隔小，即量化间隔是不固定的。如何实现非均匀量化?一种办法是:在对 信号进行编码之前，先对小信号进行高增益的放大，对大信号则使其增益很小， 甚至没有增

8、益，然后再进行均匀量化及编码。完成这一任务的部件称压缩器，它 的输入输出特性称压缩特性。接收端恰要与此相反，对解码后的信号要经过扩张 器，使信号还原成原值。a律13折线近似在整个osi的范围内分成八大段。在x轴的osi区间是 以1/2递减规律分成八大段，其分段点是1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64 和l/128o最小的分段间隔是1/128,最大的分段间隔为1/2。将0si/128称做 第一段，1/128s1/64称做第二段，按由小到大的顺序，其最大的分段是第八段。 在y轴进行均匀分段，将osi区间均匀分成八大段，其分段点是1/8、2/8、 3/8io现将x轴和y轴的相应段交点

9、用直线连起来，于是就得到8条折线，这8条折线的斜率分别是:16, 16,8,4,2, 1,0.5,0,25。斜率越大，对信号的 增益越大，斜率越小增益就越小。所以小信号的增益大，而大信号的增益小，体 现了对非均匀量化的要求。由于第1段斜率和第2段斜率相等，第1段和第2段可看作是一条折线(这 是正方向情况)。由于输入信号有正负两个极性，故在负方向也应有与正方向对 称的一组折线段，这组折线段是在第三象限。负方向的第1、2两段的斜率与正 方向的第1、2两段的斜率相等，故可将这4段并成一段，于是就得出13折线。 这种压扩特性与a二87. 6的a律压扩特性是十分逼近的。为了满足信噪比的要求, 在每一大段

10、中再均匀分成16小段，这样就形成了 256个量化级。其信噪比达到 了通路的要求。) )3 .213264图1.2 13折线法的特性图编码类型有多种，女口：低速编码和高速编码型、线性编码和汕线性编码型、 逐次比较型、级联型和混合型等。这里不详叙编码原理，请查阅有关书籍。编码是将量化后的信号电平值转换成二进制码组，实际上量化是在编码过程 中同时完成的。这一变化也称模/数(a/d)变换，即将模拟信号变成数字信号, 这种数字信号即是通常所称的脉冲编码调制信号。在13折线法中，无论输入信 号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表 示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化

11、值的极性，其余七位（第二位 至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示 段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。其它四位表示段内 码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处 理的结果，8个段落被划分成，=128个量化级。段落码和8个段落之间的关系 和段内码与16个量化级z间的关系如表1. 3所示。表1. 3段落码和8个段落z间的关系和段内码与16个量化级z间的关系段落序号段落码量化级段内码81111511111411107110131101121100610111101110101051009100181000101170

12、11160110301050101401002001300112001010001000100000pcm编译码器的实现可以借鉴单片pcm编码器集成芯片，女口： tp3057a.cd22357等。单芯片工作吋只需给出外围的吋序电路即可实现，考虑到实现细节, 仿真时将pcm编译码器分为编码器和译码器模块分别实现。2时分复用原理时分复用系统对信道中时钟相位抖动及接收端与发送端的时钟同步问题提 出了较高的要求。所谓同步是指接收端能正确地从数据流中识别各路序号。为此, 必须在每帧内加上标志信号（即帧同步信号）。它可以是一组特定的码组，也可 以是特定宽度的脉冲。在实际通信系统中还必须传递信令以建立通信连

13、接，如传 送电话通信中的占线、摘机与挂机信号以及振铃信号等信令。上述所有信号都是 时间分割，按某种固定方式排列起来，称为帧结构。采用时分复用的数字通信系 统，在国际上己逐步建立其标准。原则上是把一定路数电话语音复合成一个标准 数据流（称为基群），然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术，汇 合成更高速地数据信号，复接后的序列中按传输速率不同，分别成为一次群、二 次群、三次群、四次群等等。在下图中，第一路模拟信号送入时分复用模块，第二路模拟信号送入模拟信 号数字化模块，分别在这两个模块中进行pcm编码，得到两路pcm码（pcma和pcmb）, 再和时分复用模块产牛的帧同步码进行时分复用，得

14、到包含四路数据（第四路为 空数据）、一帧为32位的时分复用信号，其复用部分的原理框图如图2. 2。图2.2吋分复用原理框图时分复用是通过时钟信号对移位寄存器构成的并/串转换电路的输出信号轮 流进行选通而实现的，时分复用输出信号的位同步信号的频率为bs的四倍，帧同 步信号的频率为位同步信号的三十二分之一。时分复用输出信号每一帧由32位组 成，其帧结构如图2. 3所示，拨码开关sw701可设置帧同步码的码型。帧同步码8位38位2 8位全零q帧同步码 8位心8位卩8位全零01110010.数据1数据2"0000000001110010.数据b数据2卩00000000图2.3帧结构图复用信号

15、通过解复用电路还原出两路pcm编码信号，分别送入时分复用模块 和模拟信号数字化模块进行pcm译码输出，得到的两路信号分别与输入信号相同。 图2. 4是解复用部分的原理框图。j-fsj1-fs/j2-fsj-dataj1-dataj-bsj1-bs/j2-bs图2. 4解复用原理框图移位寄存器移位寄存器4分频锁存器数据选择器锁存器1数据选择器t2-data在解复用电路中，先通过帧同步信号和位同步信号把四路数据分开，然后通 过移位寄存器构成的并/串转换电路输出串行的数据。3电路设计3. 1电路工作原理在木实验中我们选择tp3067进行a律变换，以2. 048mbit/s来传送信息，信息 帧为无信令

16、帧，它的发送时序与接收时序直接受fsx和fsr控制。系统上电：当开始上电瞬间，加压复位电路启动combo并使它处于掉电状态，所有非主 要屯路都失效，而dx、vfro、vpo-、vpo+均处于高阻抗状态。为了使器件上电， 一个逻辑低电平或时钟脉冲必须作用在mclkr/pdn引脚上，并且fsx和fsr脉冲必 须存在。于是有两种掉电控制模式可以利用。在第一种中mclkr/pdn引脚电位被 拉高。在另一种模式中使fsx和fsr二者的输入均连续保持低电平，在最后一个fsx 或fsr脉冲z后相隔2ms左右，器件将进入掉电状态，一旦第一个fsx和fsr脉冲出 现，上电就会发生。三态数据输岀将停留在高阻抗状态

17、中，一直到第二个fsx脉 冲出现。系统时序：帧同步工作：combo既可以用短帧，也可以用长帧同步脉冲。在加电开始时, 器件采用短帧模式，在这种模式中，fsx和fsr这两个帧同步脉冲的长度均为一个 位吋钟周期。在bclkx的下降沿当fsx为高吋，bclkx的下一个上升沿可启动输出 符号位的三态输出dx的缓冲器，紧随其后的7个上升沿以时钟送出剩余的7个位， 而下一个下降沿则阻止dx输岀。在bclkr的下降沿当fsr为高时（bclkx在同步模 式），其下一个下降沿将锁住符号位，跟随其后的7个下降沿锁住剩余的7个保留 位。长帧同步工作：为了应用长帧模式，fsx和fsr这两个帧同步脉冲的长度应等 于或大

18、于位时钟周期的三倍。在64khz工作状态中，帧同步脉冲至少要在160ns 内保持低电位。随着fsx或bclkx的上升沿（无论哪一个先到）来到，dx三态输出 缓冲器启动，于是被时钟移出的第一比特为符号位，以后到来的bclkx的7个上升 沿以时钟移出剩余的7位码。随着第8个上升沿或fsx变低（无论哪一个后发生）， dx输岀由bclkx的下降沿来阻塞，在以后8个bclkr的下降沿（bclkr）,接收帧同 步脉冲fsr的上升沿将锁住dr的pcm数据。编译码器的工作是由时序电路控制的。在编码电路屮，进行取样、量化、编 码，译码电路经过译码低通、放大后输出模拟信号，把这两部分集成在一个芯片 上就是一个单路

19、编译码器单路编译码器变换后的8位pcm码字是在一个时隙中被 发送出去，这个时序号是由a/d控制电路来决定的，而在其它时隙时编码器是没 有输出的。同样在一个pcm帧里，它的译码电路也只能在一个由它自己的时序里, 从外部接收8位pcm码。单路编译码器的发送时序和接收时序可由外部电路来控 制。只要向a/d控制电路或d/a控制电路发某种命令即可控制单路编译码器的发送 时序和接收时序号，从而也可以达到总线交换的目的。不同的单路编译码器对其 发送时序和接收时序的控制方式都有所不同，有些编译码器有二种方式，一种是 编程法，即给它内部的控制电路输进一个控制字，分配其时隙；另一种是直接控 制，这时它有两个控制端

20、，我们定义为fsx和fsr,它们是周期性的，并且它的周 期和多路pcm的帧周期相同，为125 us,这样，每来一个fsx,编译码器就输出一 个pcm码字，每来一个fsr,编译码器就从外部输入一个pcm码字。编译码器一般都有一个pdn降功耗控制端，pdn二1时，编译码能止常工作， pdwo时，编译码器处于低功耗状态，这时编译码器其它功能都不起作用，我们 在设计时，可以接muc等控制芯片以实现对编译码器的降功耗控制。考虑到系统时钟频率较高，本系统利用vhdl设计pcm编码芯片的控制,生成时 钟信号，发送时添加帧同步码，解码时检测帧同步码.以控制编解码的时序实现编 解码功能.本系统中所有的时隙都是从

21、频率为8. 102mhz的外部时钟信号频后得 到2. 048mhz的码同步时钟，再经分频分相后得到8khz的帧同步时钟.帧同步码的添加是在时钟信号控制下输出帧同步码的时隙屮对预置帧同步编码 逐位输出实现的.帧同步信号的提取是用在吋钟信号控制下信号通过移位寄存 器构成的并/串转换电路的输岀信号与与置信号比较而实现的，帧同步信号的频 率为位同步信号的256分之一。拨码开关sw1, sw1可分别设置编解码时帧同步 码的码型。为了提高系统的抗干扰能力减小课解码率,可以增加帧同步码的位数. 这里只是为了说明原理所以选择8位。3. 2仿真模块电路 3. 2. 1 pcm编码模块pcm编码模块主要完成对信号

22、的压缩、量化及输出等的功能，主耍由信号源（图符277）、瞬时压缩器（图符275）、a/d转换器（图符273）、并/串转换 器（图符255）、输出端子构成（图符268）组成，系统模型如图3.1所示。图3. 1 pcm编码模块经过低通滤波器完成信号频带过滤的信源信号通过pcm编码器，由于pcm 量化采用非均匀量化，所以还要使用瞬时压缩器实现a律压缩后再进行均匀量 化，a/d转换器（图符273）完成采样及量化，由于a/d转换器的输出是8路并 行数据，必须通过8位数据选择器（图符255）完成并/串转换，将8位的并行 数据转换成成串行数据流，最后通过图符（298）输出pcm编码信号。3.2.2时分复用模

23、块时分复用模块是实现两路话音信号传输的关键，它由晶振（图符245）、分 频器（图符246、248、249）、帧同步信号产生器（图符250）、8路数据选择器 （图符247）和3路数据选择器（图符260）等组成，系统模型如图3. 2所示。图3. 2时分复用模块3. 2. 3语音信号发生器在本次设计屮使用的信号由两路信号组成。第一路是由两个正弦信号经过叠 加形成的信号1,第二路是由高斯口噪声信号，即信号2。两路语音信号分别经 过截止频率均为3kiiz两个低通滤波器（图符229、图符227）,从低通滤波器输 出的语音信号将送入pcm编码器子系统。系统模型如图3. 3所示。图3. 3语音信号发生器为实现

24、信号的语音频率特性，考虑到滤波器在通带和阻带之间的过渡，采用 了低通滤波器，而没有设计带通滤波器。为实现信号在300hz-3400hz的语音 频带内，在这里采用了一个阶数为3阶的切比雪夫滤波器，其具有在通带内等波 纹、阻带内单调的特性。3. 2. 4位同步信号及帧同步信号位同步，或称码元同步。它是指在数字通信系统中，信号的发送设备按照确 定的时间顺序，逐个传输数字脉冲序列中的每个码元。由于在接收端必须有准确 的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元，因此，接收端必须提供一个确定抽 样判决时刻的定时脉冲序列。这个定时脉冲序列的重复频率必须与发送的数码脉 冲序列一致，同时在最佳相位时刻（或称为最佳判

25、决吋刻）对接收码元进行抽样 判决。此时在接收端产牛这样的定时脉冲序列。位同步仿真实现如下图：3. 4位同步模块仿真实现木设计采用数字锁相环法提取位同步信号。接收码元的相位通过从基带信号 的过零点提取（它代表码元的起始时刻），而对数字信号进行微分就可以获得过 零点的信息，由于数字信号的过零方向有正有负（即有“0”变到“1”和“1” 变到“0”），因此微分再整流，就可以获得接收码元所有的过零点的信息，得到 接收码元的相位后，在将它加到相位比较器去进行比较。将接收码元的宽度分为 两个区，前半码元称为滞后区，即若位同步脉冲波形落入此区，表示位同步脉冲 的相位滞后于接收码元的相位，后半码元称为超前区当位

26、同步脉冲位于超前区 时，接收码元经微分整流，并经单稳多谐振荡器85电路后产生的波形和分频器 的输出波形使与门93有输出，该输出经过单稳多谐振荡器204产生一超前脉冲。 若位同步脉冲落入滞后区，分频器输出波形与与门206经过单稳多谐振荡器产生 一滞后脉冲。这样，无论位同步脉冲超前或滞后，都会分别送出超前或滞后脉冲 加于分频器的脉冲进行扣除或附加，因而达到相位调整的目的。pcm的位同步模 块器件功能实现：鉴相器（微分器和整流器）：通过微分和整流获得接收码元所 有的过零点信息，得到接收码元的相位。帧同步模块的功能实现：4位计数器：进行帧同步检测信号时，进行相应的 移位检测。8位锁存器：进行数据的锁存

27、，延吋。模拟比较器：进行相位的比较, 检测帧同步信号是否同步。单稳多谐振荡器：根据输入信息产牛相应的信号波形。 反相器：进行信号的反相、放大、延时。与门：进行两输入信号的与运算。仿 真实现如下图：3. 5帧同步模块的仿真实现325解时分复用模块位同步信号和帧同步信号提取后还需要进行一系列延时和同步等才能作为接收端提取时分复用信号中两路pcm信号的提取信号。在本次设计中用到的解时 分复用模块如图3. 6所示，其中，图符286为帧同步系统，图符287为位同步系统,图符91、99、101、103为单稳态多谐振荡器，图符97为d触发器。图3. 6解时分复用模块系统图3. 2. 6 pcm的译码器模块p

28、cm的译码器模块的功能实现：锁存器：经过串并转换后的串行数字语咅信 号，每8bit为一个数据帧，必须经过锁存才可以将数据并行送至d/a转换器。 锁存器的使能端的时序控制应该与采样时钟一致，由于系统存在时延，在使能端 通过设置初始相位解决后，送至d/a转换器中。瞬时扩张器：实现与瞬时压缩器 相反的功能，由于采用a律压缩，扩张也必须采用a律瞬时扩张器。低通滤波器:由于采用脉冲不可能是理想冲击函数会引起孔径失真，量化时也会带来量化噪 声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及相位的补偿, 同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。具体实现见下图:3. 7译码设计模块

29、信号经过分接分成两路信号，经过各自的锁存器，然后通过d/a转换，再经 过瞬时扩展器，（此处必须采用与编码模块相对应的解扩方式），经过低通滤波器 （此处的低通滤波器为减少信号失真采用与编码模块的一样的滤波器）输出信 号。4总电路图综合上述各个模块，得到两路pcm时分复用的系统图如图4所示。wjf ujcvjsms p 需eao pag-sbn 口血.gsprgosa ff 15 gsp_n0.s>多畧e31sas因迴-ir.0_s 一®olpsiiig1 i ir1 h- 00 idr.r 库.a_np爰si60ra逞£9ijffldsoeeooh司n司dpxl竺001

30、 suoi sos sfd5lsuoq*slco spedp!1mlsdxj<d3q图4. 1两路pcm吋分复用的系统图5仿真波形第一路压缩前与压缩后的语音信号第二路压缩前与压缩后的语音信号kmbgxwcim <« fwit* r»n : z i. h s 8 b lb t: -« t n. a k <i> > vd>10 臣oiw (ubd)t»«« ia>4i a«i8 m9s«w (u«)第一路语音pcm信号波形图勿gmwzm km»cx!fc&#

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