PCM通信系统设计说明书

1、PCMB信系统设计说明 书1 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，并且己被国际电报咨询委员会 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，在数字程控交换系统中也是按 PC晰准，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PCMJ号作为基础。PCMK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

2、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 网话路通道中的所有信号，如随路信令、各种效率的带数据信号、传真信号、电报信号以及书写等都可不受影响地进行编码传输。也就是说，PCMS制方式可保持原有话路通路的透明性，这是通信网设计中十分重要的条件。虽然PCM0式有 不允许在误码大（如 10-5） 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。1.2 pcm 原理框图所谓脉冲编码（PCM洲制，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

3、码进行传输。其系统原理框图组成示于 1.1 。图1.1 PCM通信系统方框图1.3 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 级就用该级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

4、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A V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器， 使信号还原成原值。A律13折线近似在整个0s1的围分成八大段。在x轴的0s1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1/128。最小的分段间隔是1/1

5、28 ,最大的分段间隔为1/2。将0s 1/128称做第一段，1/128 sl/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0"1区间均匀分成八大段，其分段点是1/8、2/8、3/8、1。 现将x轴和y轴的相应段交点用直线连起来，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l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

6、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=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。1.4 pcm编码编码类型有多种，如：低速编码和图速编码型、线性编码和非线性编码型、 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/

7、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27= 128个量化级。段落码和8个段落之间的关系和段 码与16个量化级之间的关系如表1.3所示。表1.

8、3段落码和8个段落之间的关系和段码与16个量化级之间的关系段落序号段落码量化级段码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000PCM编译码器的实现可以借鉴单片PCM编码器集成芯片，如：TP3057ACD2235将。单芯片工作时只需给出外围的时序电路即可实现，考虑到实现细节,仿真时将PCMS译码器分为编码器和译码器模块分别实现。.专业.专注.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

9、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接，如传送 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 国际上已逐步建立其标准。原则上是把一定路数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、

10、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PC陶码，得到两路PCIW（PCMAPCMB, 再和时分复用模块产生的帧同步码进行时分复用，得到包含四路数据（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 oPCMB »PCMA »BS移位寄存器移位寄存器第四路全零 锁存器 锁存器数据选择器 数据选择器 数据选择器码型选择数据选择器F-DATA F-FSF-BSFSCLK图2.2时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 /用转换电路的输出信号轮 流进行选通而

11、实现的，时分复用输出信号的位同步信号的频率为 BS勺四倍，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设置帧同步码的码型。慎同步吗s位/2位。$位全零，帧同步码8位，8傕/S位全等*01110010.数据疑数据%0000000001110010.数据a数据2y00030000图2.3帧结构图复用信号通过解复用电路还原出两路PCM!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PCI#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-DATA移位寄

12、存器锁存器数据选择器J1-DATAJ-BS移位寄存器锁存器数据选择器J2-DATAJ1-BS/J2-BS4分频图2.4解复用原理框图在解复用电路中，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/用转换电路输出串行的数据。3 电路设计3.1 电路工作原理在本实验中我们选择TP3067!行A律变换，以2.048Mbit/s来传送信息，信息 帧为无信令帧，它的发送时序与接收时序直接受 FSxffi FS舲制。 系统上电：当开始上电瞬间，加压复位电路启动 COMBO使它处于掉电状态，所有非主 要电路都失效，而Dx VFRO VPO- VPO抑处于高阻抗状态。为了使器件上电，

13、 一个逻辑低电平或时钟脉冲必须作用在 MCLKR/PDN脚上，并且FSxffiFSR永冲必 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脚电位被拉高。在另一种模式中使FS冰口FSr二者的输入均连续保持低电平，在最后一个FSx 或FSr脉冲之后相隔2ms右，器件将进入掉电状态，一旦第一个FSxffi FSr脉冲出 现，上电就会发生。三态数据输出将停留在高阻抗状态中，一直到第二个FSX永冲出现。系统时序：帧同步工作：COMBO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，FS冰口FSr这两个帧同步脉冲的长度均为一个 位时钟周期。在BCLK

14、X勺下降沿当FSx高时，BCLKX勺下一个上升沿可启动输出 符号位的三态输出DX勺缓冲器，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输出。在BCLKRJ下降沿当FSr为高时（BCLK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，FSxffiFSr这两个帧同步脉冲的长度应等 于或大于位时钟周期的三倍。在 64KHZ：作状态中，帧同步脉冲至少要在 160ns 保持低电位。随着FSxtBCLKX勺上升沿（无论哪一个先到）来到，DxE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

15、BCLKX7个上升沿以时钟移出剩余的7位码。随着第8个上升沿或FS短低（无论哪一个后发生）， Dx输出由BCLKX勺下降沿来阻塞，在以后8个BCLK的下降沿（BCLKR ,接收帧同 步脉冲FSR勺上升沿将锁住DRJPC瞰据。编译码器的工作是由时序电路控制的。在编码电路中，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编译码器.单路编译码器变换后的8位PCMB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PC顺里，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

16、8位PCMB。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，我们定义为FS冰口FSR它们是周期性的，并且它的周期和 多路PCMJ帧周期相同，为125世s,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PCMB字。编译码器一般都

17、有一个PDNI功耗控制端，PDN=时，编译码能正常工作， PDN=0f,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MU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VHD设计pcmS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频率为 8.102MHz勺外部时钟信号频后得至IJ2.048MHz勺码同步时钟，再经分频分相后得到 8KHz勺帧同步时钟.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中对预置帧同步编码逐位输出实现的 . 帧同步信号

18、的提取是用在时钟信号控制下信号通过移位寄存器构成的并/ 串转换电路的输出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, SW何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误解码率, 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。. 专业 .专注 .3.2 仿真模块电路3.2.1 pcm编码模块PCM®码模块主要完成对信号的压缩、量化及输出等的功能，主要由信号源（图符277）、瞬时压缩器（图符275）、A/D转换器（图符273）、并/用转换 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

19、。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/用转换，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PCMS码信号。3.2.2 时分复用模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2

20、60）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中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,第二路是由高斯白噪声信号，即信号 2。两路语音信号分别经 过截止频率均为3KHz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PCM8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，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

21、通带等波纹、 阻带单调的特性。.专业.专注.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 （或称为最佳判决时刻） 对接收码元进行抽样判决。此时在接收端产生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本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

22、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

23、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勺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，延时。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：根据输入信息产生相应的信号波形。 反相器：进行信号的反相、放大、延时。与门：进行两输

24、入信号的与运算。仿真实现如下图：|F|IIIItI3.5 帧同步模块的仿真实现3.2. 5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PCMF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,.专业.专注.图符91、99、101、103为单稳态多谐振荡器，图符97为，虫发器。图3.6解时分复用模块系统图.专业.专注.3.2.6 PCM的译码器模块PCM勺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音信号，每8bit为一个数据帧，必须经过锁存才可以将数据

25、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。瞬时扩器：实现与瞬时压缩器相 反的功能，由于采用A律压缩，扩也必须采用A律瞬时扩器。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

26、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寸分复用的系统图如图4所示。£,- JUS 布 苫工耳4 2 KH 口雨k “中半也皆1金弊*而当铐3 古 nml»ok- GEt&uc nn 士 prITIn ¥-更选高；FE3M0N口老 ailHd芸 口81 .型口I LU 至引.虫-HE口UI£unsuo_- EP"J%iF MaM a2££祗一SIqUCI图4.1两路PCM寸分复用的系统图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.专业.专注.帧同步信号波形图wm whi,富亲手 4 fiiw tm”E3 3七4用m = *32 DO E九4 Ifc %曾春T F小；生二小I f” 日加 例崛，hlrtii第一路语音PCM言号波形图第二路语音PCM言号波形图合路语音PCMJ号波形图第一路时隙信号波形还原后的第一路语音信号还原后的第二路语音信号仿真时采用幅值为1,频率分别为1kHZ,1500HZ,2000Hz的正弦信号来模拟音频 信号。由图可以看出，输入和输出的波形有一定的延时，失真较少，压缩后，幅 度很小的小信号的信噪比得到很