路语音全双工PCM通信系统设计制作

1、精选优质文档-倾情为你奉上目录专心-专注-专业第1章 绪论随着电子技术和计算机技术的发展，仿真技术得到了广泛的应用。基于信号的用于通信系统的动态仿真软件SystemView具有强大的功能，可以满足从底层到高层不同层次的设计、分析使用，并且提供了嵌入式的模块分析方法，形成多层系统，使系统设计更加简洁明了，便于完成复杂系统的设计。 SystemView具有良好的交互界面，通过分析窗口和示波器模拟等方法，提供了一个可视的仿真过程，不仅在工程上得到应用，在教学领域也得到认可，尤其在信号分析、通信系统等领域。其可以实现复杂的模拟、数字及数模混合电路及各种速率系统，并提供了内容丰富的基本库和专业库。 本文

2、主要阐述了如何利用SystemView实现脉冲编码调制（PCM）。系统的实现通过模块分层实现，模块主要由PCM编码模块、PCM译码模块、及逻辑时钟控制信号构成。通过仿真设计电路，分析电路仿真结果，为最终硬件实现提供理论依据。随着现代通信技术的发展，为了提高通信系统信道的利用率，话音信号的传输往往采用多路复用通信的方式。这里所谓的多路复用通信方式通常是指：在一个信道上同时传输多个话音信号的技术，也称复用技术。复用技术有多种工作方式，例如频分复用，时分复用以及码分复用等。在本文中运用的是两路的时分复用技术。时分复用（TDM：Time Division Multiplexing）的特点是，对任意特定

3、的通话呼叫，为其分配一个固定速率的信道资源，且在整个通话区间专用。TDM把若干个不同通道（channel）的数据按照固定位置分配时隙（TimeSlot：8Bit数据）合在一定速率的通路上，这个通路称为一个基群。时分复用是建立在抽样定理基础上的。抽样定理使连续（模拟）的基带信号有可能被在时间上离散出现的抽样脉冲所代替。这样，当抽样脉冲占据短时间时，在抽样脉冲之间就留有时间空隙，利用这个时间空隙便可以传输其他信号的抽样值。因此，这就有可能沿一条信道同时传送若干个基带信号。当采用单片集成 PCM 编解码器时（如本文采用TP3057），其时分复用方式是先将各路信号分别抽样、编码、再经时分复用分配器合路

4、后送入信道，接收端先分路，然后各路分别解码和重建信号。PCM的32路标准的意思是整个系统共分为 32个路时隙，其中 30 个路时隙分别用来传送 30 路话音信号，一个路时隙用来传送帧同步码，另一个路时 隙用来传送信令码，即一个PCM30/32 系统。第2章 总体电路设计思路与原理2.1设计总方案：语音输入语音输出低通滤波解调解码再生解复用信道复用编码量化抽样发送放大（Pcm编码） （Pcm解码） 图1 PCM系统方框图 该设计主要包括两部分：1Pcm编译码电路 2复用与解复用电路2.2 PCM编码原理介绍要完成2路语音的PCM全双工通信，此次课题采用的是时分复用的方式。首先介绍一下PCM编码的

5、原理。PCM的实现主要包括三个步骤：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。根据CCITT的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为A律和律方式，我国采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码并采用非均匀量化PCM编码。下面将介绍PCM编码中抽样、量化及编码的原理。（a）抽样：所谓抽样，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。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。（b）量化：从数学上来看，量化就是把一

6、个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图2所示，量化器Q输出L个量化值，k=1，2，3，L。常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为： 模拟入量化器量化值这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。 模拟信号的量化模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。由于均匀量化存在的主要缺点是：无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动

7、态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种

8、对数压缩律是压缩律和A压缩律。美国采用压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：（c）编码:所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。2.3 时分复用原理介绍时分多路复

9、用通信（此课题为两路）,是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。由前述的抽样理论可知，抽样的一个重要作用，是将时间上连续的信号变成时间上离散的信号，其在信道上占用时间的有限性,为多路信号沿同一信道传输提供了条件。具体说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。图2.2为时分多路复用示意图，各路信号经低通滤波器将频带限在3400Hz以下,然后加到快速电子旋转开关(称分配器)K1,K2开关不断重复地作匀速旋转，每旋转一周的时间等于一个抽样周期T，这样就做到对每一路信号每隔周期T时间抽样一次。由此可见，发端分配器不仅起到抽样

10、的作用，同时还起到复用合路的作用。合路后的抽样信号送到 PCM 编码器进行量化和编码，然后将数字信码送往信道。在收端将这些从发送端送来的各路信码依次解码，还原后的PAM信号，由收端分配器旋转开关 K2 依次接通每一路信号，再经低通平滑，重建成话音信号。当采用单片集成PCM 编解码器时，其时分复用方式是先将各路信号分别抽样、编码、再经时分复用分配器合路后送入信道，接收端先分路，然后各路分别解码和重建信号。 图2.2 时分复用示意图这个通信系统主要用4个电路实现，它们分别是定时器电路，PCM编译码电路，复接电路，语音处理电路。定时器电路由晶振，分频器及时隙同步信号（抽样信号）构成，它为两个PCM编

11、译码电路提供时钟信号和时隙同步信号，PCM编译码部分采用芯片TP3057在时钟信号和对语音进行编码和译码。在编码时将语音信号转变为数字信号然后帧同步信号发生器电路提供帧同步码和两路数字语音信号复接，形成一帧PCM信号。在这个PCM信号中有29个是空时隙，两路数字语音信号各占一个时隙。在译码之前不需要对PCM进行分接处理，译码器的时隙同步信号可对信号分路实现分接。语音信号A，B通过麦克风输出幅度比较小，需放大到再送到PCM编码器。接入的PCM译码器输出信号RA，RB幅度较大，需衰减到适当值后再送给听筒，因此需要分别加入两个语音处理信号电路。具体整个系统的原理图方框图如图2.3所示。PCM编译码P

12、CM编译码帧同步SRBSRA A语音B语音复接器2048KHz位同步信号BS PCM信号PCM-BPCM-ABS 图2.3 两路语音的PCM全双工通信原理方框图 第3章 单元电路的设计3.1 PCM编译码电路的设计PCM脉冲编码调制是把模拟信号数字化传输的基本方法之一，它通过抽样、量化和编码，把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号，然后在信道中进行传输。信号先经过防混叠低通滤波器，得到限带信号（300Hz3400Hz），进行脉冲抽样，变成8KHz重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM信号），然后将幅度连续的PAM信号用“四舍五入”办法量化为有限个幅度取值的信号

13、，再经编码，转换成二进制码。为解决共有均匀量化时小信号量化误差大、音质差的问题，在实际中采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法，即量化特性在小信号时分层密、量化间隔小，而在大信号时分层疏、量化间隔大(详见2.1节PCM编码原理介绍)。本课题采用PCM的A律的量化编码的方法。PCM的原理如上图所示。话音信号先经防混叠低通滤波器，进行脉冲抽样，变成重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM信号），然后将幅度连续的PAM信号用“四舍五入”办法量化为有限个幅度取值的信号，再经编码，转换成二进制码。对于电话，CCITT规定抽样率为8KHz，每抽样值编8位码，即共有28=256个量化值，因而每话路PCM编

14、码后的标准数码率是64kb/s。为解决均匀量化时小信号量化误差大、音质差的问题，在实际中采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法，即量化特性在小信号时分层密、量化间隔小，而在大信号时分层疏、量化间隔大， 本课题选择TP3057芯片作为PCM编码器，它把编译码器和滤波器集成在一个芯片上，功能比较强，它可以进行A律变换，它的数据既可用固定速率传送，也可用变速率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态，它的编码和解码工作既可同时进行，也可异步进行。TP3057简介：本模块的核心器件是A律PCM编译码集成电路TP3057，它是CMOS工艺制造的专用大规模集成电

15、路，片内带有输出输入话路滤波器，其引脚图如图3.1所示，引脚功能如表3-1所示。 图3.1 TP3057引脚图 本课题将两路语音信号A，B分别进行PCM编译码，所以采用两片TP3057芯片，两个时隙的复用通过74LS164分配，A、B分别占第2时隙和第1时隙，由此，PCM编译码电路可设计如图3.3所示。下面我们说明一下TP3057在工作时的原理和流程。 表3-1 TP3057引脚功能表引脚号符 号功 能1V一接-5V电源2GND接地3VFrO接收部分滤波器模拟信号输出端4V+接+5V电源5FSr接收部分帧同信号输入端，此信号为8KHz脉冲序列6 Dn接收部分PCM码流输入端7BCLKr/CLK

16、SEL接收部分位时钟(同步)信号输入端，此信号将PCM码流在FSr上升沿后逐位移入Dr端。位时钟可以为64KHz到2.048MHz的任意频率，或者输入逻辑“1”或“0”电平器以选择1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz用作同步模式的主时钟，此时发时钟信号BCLKx同时作为发时钟和收时钟8MCLKr/PDN接收部分主时钟信号输入端，此信号频率必须为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。可以和MCLKx异步，但是同步工作时可达到最佳状态。当此端接低电平时，所有的内部定时信号都选择MCLKX信号，当此端接高电平时，器件处于省电状态9MCLKx发送部分主时钟信号输入端，此

17、信号频率必须为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。可以和MCLKr异步，但是同步工作时可达到最佳状态10BCLKx发送部分位时钟输入端，此信号将PCM码流在FSr信号上升沿后逐位移出Dr端，频率可以为64KHz到2.04MHz的任意频率，但必须与MCLKr同步11Dr发送部分PCM码流三态门输出端12FSx发送部分帧同步信号输入端，此信号为8KHz脉冲序列13漏极开路输出端，在编码时隙输出低电平14GSx发送部分增益调整信号输入端15VFri-发送部分放大器反向输入端16VFXi+发送部分放大器正向输入端发送部分：如图3.1示两路语音信号A，B分别由SA-IN和SB-IN输入

18、，首先经可调增益放大器放大再经过抗混淆滤波器、低通滤波器、高通滤波器的滤波。高通滤波器的输出信号送给阶梯波产生器(采样频率为8KHz)。阶梯波产生器、逐次逼近寄存器（S·A·R）、比较器以及符号比特提取单元等4个部分共同组成一个压缩式A/D转换器。S·A·R输出的并行码经并/串转换后成PCM信号，参考信号源提供各种精确的基准电压。图3.1 PCM编译码电路原理图 发帧同步信号FSx为采样信号为8KHz脉冲编码序列，接由定时器产生的第一路时隙，每个采样脉冲都使编码器进行两项工作：在8比特位同步信号BCLKX（2048KHz）的作用下，将采样值进行8位编码并

19、存入逐次逼近寄存器；将前一采样值的编码结果通过输出端DX输出。在8比特同步信号以后，DX端处于高阻状态。接收部分：包括扩张D/A转换器和低通滤波器。低通滤波器符合AT&T D3/D4标准和CCITT建议。D/A转换器由串/并变换、D/A寄存器组成、D/A阶梯波形成等部分构成。在收帧同步脉冲FSr上升沿及其之后的8个位同步脉冲BCLKR作用下，8比特PCM数据进入接收数据寄存器(即D/A寄存器)，D/A阶梯波单元对8比特PCM数据进行D/A变换并保持变换后的信号形成阶梯波信号。此信号被送到时钟频率为128KHz的开关电容低通滤波器，此低通滤波器对阶梯波进行平滑滤波并对孔径失真(sinx)

20、/x进行补尝，从而得到语音模拟信号。对于全双工的实现可以由图3.1出，第二路时隙信号在A语音编译码器U9中作为发送端，而在U9的接收端采用的是第一路时隙信号。同样，在B语音编译码器U10中，发送端接的是第一路时隙，在接收端接的是第二路时隙。通过交换时隙来实现全双工通信，还原出语音信号。3.2 复接电路 复接就是把经PCM编译码器编码后的PCM-A信号和PCM-B信号连接起来，加上帧同步码复接成长为125us的一帧PCM信号,然后送入PCM编译码器进行分接译码。复接电路如图3.2示，74HC151产生帧同步码。帧同步是使收、发两端的各路时隙脉冲相对应并保持一致，从而保证各路话路正确地进行传输和接

21、收，不致发生收发各路的混乱。帧同步码是一个特殊字段表示一帧的开始。在实际通信系统中，译码器时隙同步信号(即帧同步信号)应从接收到的数据流中提取，此处将同步器产生的时隙同步信号直接送给译码器。图3.2 复接电路帧同步码由74LS151八选一数据选择器产生，其真值表如下表3-3所示：表3-274LS151真值表 输入输出CBAZXXXHLHLLLLI0I0LLHLI1I1LHLLI2I2LHHLI3I3HLLLI4I4HLHLI5I5HHLLI6I6HHHLI7I774LS151的A、B、C端分别接由定时器产生的1024KHz、512KHz、256KHz信号端，产生一个8位的帧同步码为3.9us，

22、即形成一个帧同步头。此同步头是由编译码电路中芯片74LS164中Qa产生的8KHz抽样信号输出的，在Qb的前一时隙中，这样就占PCM信号的第0个时隙。由于两个PCM编译码器用同一个时钟信号，因而可以对它们进行同步复接。又由于两个编码器输出数据处于不同时隙，故可对PCM-A和PCM-B进行线或。本电路模块中用或门74LS32对PCM-A、PCM-B及帧同步信号进行复接，如图3.3所示。在译码之前，不需要对PCM进行分接处理，因为译码器的时隙同步信号实际上起到了对信号分路作用。3.3系统总电路图图3.3系统总电路图第4章 系统的systemview仿真4.1 信号源的组成 如图4.1所示为信号源的

23、systemview模块图,信号源由两路语音信号组成。第一路是由两个正弦信号叠加（图符293）而成的，第二路是一个高斯白噪声信号，然后两路语音信号分别经过两个低通滤波器（图符229、图符227），因为声音信号的频率范围为3003400Hz，所以将两个低通滤波器的截止频率均设为3KHz，此两路语音信号将送入PCM编码器子系统。仿真之后的波形图如图4.2和图4.3所示，图符299（频率为2K）和图符298（频率为3KHz）相叠加后经过截止频率为3KHz的低通滤波器所得到的第一路语音信号的波形为图4.2所示。图4.3为高斯白噪声经过截止频率为3KHz的低通滤波器所得到的第二路语音信号波形图。 图4.

24、1信号源子系统的组成 图4.2 第一路语音信号图4.3 第二路语音信号4.2 PCM编码器子系统模块 如图4.4所示为PCM编码子系统模块，它主要由晶振、分频器、帧同步信号产生器、扩张器、模数转换器、八选一器件、三选一器件组成。经过压缩的两路语音信号分别输入到两个压缩器（图符275、图符276）中，再经过模数转换器变成两路数字信号，加上由图符250产生的帧同步码，这三路数字信号分别经过八选一（图符247、图符255、图符256）变成串行信号，由四分频、八分频和十六分频来控制，然后将这三路数字信号送入八选一（图符260）中，由三选一波形控制（图符261、图符262、图符263、图符264）把这三

25、个数字信号放在一个PCM合路信号的不同时隙上。晶振是图符245，Freq=1e+6Hz，即脉宽为5e-6秒的周期性方波，由此我们可以算出位同步信号的频率为5e+5Hz，即位同步信号的周期为2e-6秒。三选一波形控制是用两个D触发器组成的，参数使用默认值。图符251,257,258,265为自定义函数信号发生器，在此的作用均为为八选一和D触发器输入使能信号。分频器后面有的加有一个非门，这是根据具体电路特点而加上的，使得八选一电路会按由低到高的顺序在输入端的数据输出。通过仿真出来的波形图我们可以看出复接原理，由图4.5帧同步信号波形可以看出帧同步码为，由图4.6第一路语音PCM信号波形可以看出第一

26、个8位码元为，由图4.7第二路语音PCM信号波形可以看出第一个8位码元为。当这三个8位码元进行复接时得到的结果从图4.8合路语音PCM信号波形图中可以看出来，前24位码元为 ，由此我们可以看出此PCM编码子系统的工作原理。 图4.4 PCM编码子系统模块 图4.5 帧同步信号波形图 图4.6 第一路语音PCM信号波形图 图4.7 第二路语音PCM信号波形图 图4.8 合路语音PCM信号波形图4.3 PCM分接译码模块 图4.9是PCM译码分接模块图，图符286和图符287分别为提取出的帧同步信号和位同步信号，图符91对帧同步信号进行延时，图符101、103对位同步信号延时。图符97为D触发器使

27、帧同步信号和位同步信号相位保持一致。图符99为单稳态触发器将帧同步的一个码元宽度扩展为八个码元宽度，再将其和位同步信号相与得到第一路时隙信号（由图符94输出），在第一路时隙信号和经8位移位寄存器（图符106）输出的移位后的帧同步信号的作用下，从复接后的PCM信号中分接出第一路语音信号。图符90为8位移位寄存器使串行数据变为并行数据，图符120为8位锁存器，再经过图符222的数模转换器、图符220的扩张器、低通滤波器还原成第一路模拟的语音信号。同理可以得到第二路语音信号，只是要将帧同步信号移位16个码元周期才能得到第二路时隙信号，其余过程同第一路语音信号的分接过程。 图4.9 PCM译码分接模块

28、图4.10 第一路时隙信号波形图4.11 第二路时隙信号波形4.4 系统的仿真 结合信号源模块、编码器子系统模块和分接译码器模块得到总通信系统的模块图，如下图4.12所示。系统仿真采样率定为2e+7Hz，采样点定为40471。 图4.12 系统systemview模快 仿真波形图如下所示： 图4.13 位同步信号波形图由图4.13表示的位同步信号中可以看出，此通信系统的位同步的频率为5e+5Hz的方波信号，即周期为2e-6秒。 图4.14 帧同步子系统输出信号波形图 图4.14表示的是帧同步信号，通过测量得出每一帧的间隔为4.8e-5秒，从图4.13我们知道每一位的码元宽度为2e-6秒，（4.

29、8e-5）秒/（2e-6）秒=24，得出每一帧信号中是由三个8位码元组成的。 图4.15 还原后的第一路语音信号图4.15为最终还原的第一路语音信号的波形图，将此图与图4.2对比可看出，其波形基本上不失真的在接收端得到恢复，只是波形具有一定的延迟现象，传输的过程中实现了数字化的传输过程。图4.16 还原后的第二路语音信号图4.16为最终还原的第二路语音信号的波形图，将此图与图4.3对比可看出，其波形基本上不失真的在接收端得到恢复，虽然第二路语音信号为高斯白噪声信号，但是在收端还原出来的信号还是理想的。第5章 总结与体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关通信的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下