2路语音全双工PCM通信系统设计制作

目录TOC\o"1-3"\h\u31520第一章设计思路与框图1108561.1设计思路1102791.2设计框图218322第二章各模块电路设计与原理3115302.1语音信号源模块3185372.2PCM编码以及时分复用模块336282.3位同步模块6173292.4帧同步模块7254482.5时分解复用模块1013722.6PCM译码模块105734第三章SystemView系统仿真12204873.1各模块仿真波形12103903.1.1信号语音信号源模块12275233.1.2PCM编码以及时分复用模块13261453.1.3位同步模块16288053.1.4帧同步模块16218423.1.5时分解复用模块177503.1.6PCM译码模块19282233.2系统总仿真图2130545第四章总结与体会2217593参考文献23第一章设计思路与框图1.1设计思路本课题将是一个两人通话的通信系统，两路语音中任何一方都能向对方发出信息或承受对方发过来的信息，完成全双工通信，采用PCM编码技术。对于语音编译码局部将采用芯片TP3057，TP3057是A律PCM编译码集成电路。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。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，在本次课题中运用的是两路的时分复用技术。所以，整个电路也就是一个两路语音的全双工时分复用PCM通信系统。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。时分复用的特点是，对任意特定的通话呼叫，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把假设干个不同通道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根底上的。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假设干个基带信号，从而完成2路语音信号的通信。当采用单片集成PCM编解码器时〔如本次采用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。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μ律方式，我用了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。1.2设计框图两路语音信号A、B先经过PCM编码以及时分复用模块形成合路信号，然后通过帧同步、位同步，再通过时分解复用别离出两路语音信号A、B，然后两路信号分别进入不同的PCM译码系统，完成复原各路信号。下列图为系统总体构造框图：A路译码帧同步语音信号AA路译码帧同步语音信号APCM编码以及时分复用PCM编码以及时分复用时分解复用时分解复用B路译码位同步语音信号BB路译码位同步语音信号B复原语音信号A复原语音信号A复原语音信号B复原语音信号B图1.1系统总体构造框图第二章各模块电路设计与原理2.1语音信号源模块信号源由两路语音信号组成。第一路是由一个正弦信号〔图符143〕，第二路是一个高斯白噪声信号〔图符298〕，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围为300～3400Hz，所以将两个低通滤波器的截止频率均设为3400Hz，此两路语音信号将送入PCM编码器子系统。2.2PCM编码以及时分复用模块1.PCM编码PCM编码及时分复用模块主要由信源输入端子、瞬时压缩器、A/D转换器、8位数据选择器、晶振、分频器、帧同步信号产生器、三选一器件、输出端子构成。在通信系统中，由于线的带宽约为3000Hz，以的音质为准，一般认为在通信中语音的带宽为300Hz~3400Hz。由于PCM量化采用非均匀量化，两路语音信号A、B分别输入到两个瞬时压缩器〔图符275、图符276〕中实现A律压缩后再进展均匀量化，再经过A/D转换器完成采样及量化，由于A/D转换器的输出是并行数据，加上由图符250产生的帧同步码11110010，这三路数字信号分别经过数据选择器〔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数据选择器〔图符260〕中，由三选一波形控制〔图符261、图符262、图符263、图符264〕把这三个数字信号放在一个PCM合路信号的不同时隙上。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，就是对模拟信号进展周期性扫描，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2.3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：这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。模拟值y模拟值y量化器量化值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到达给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值围定义为动态围，可见，均匀量化时的信号动态围将受到较大的限制。为了克制这个缺点，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根本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致一样，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展均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是压缩律和A压缩律。美用压缩律，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：A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线〔A=87.6〕的压扩特性。这样，它根本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用A律函数13折线路实现，本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进展编码的。〔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过失控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的畴。在现有的编码方法中，假设按编码的速度来分，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：逐次比拟型、折叠级联型、混合型。在逐次比拟型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段码的顺序排列。2.时分复用原理时分多路复用通信〔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展通信。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，以到达互相分开，互不干扰的目的。图2.4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编码器进展量化和编码，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，复原后的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编译码电路提供时钟信号和时隙同步信号，PCM编译码局部采用芯片TP3057在时钟信号和对语音进展编码和译码。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1110010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进展分接处理，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拟小，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，因此需要分别参加两个语音处理信号电路。2.3位同步模块位同步根本原理介绍：位同步锁相法的根本原理和载波同步类似。在接收端利用鉴相器来比拟接收码元和本地产生的位同步信号的相位，假设两者不一致〔超前或滞后〕，鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获取准确的位同步信号为止。我们把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法。在数字通信中，常采用数字锁相法提取位同步信号。如图2.3所示，它由高稳定度的晶振、分频器、相位比拟器和控制器组成。图2.3数字锁相原理方框图其中，控制器包括图中的扣除门、附加门和或门。高稳定度晶振产生的信号经整形电路变成周期性脉冲，然后经控制器再送入分频器，输出位同步脉冲序列。假设接收码元(DATA-IN)的速率为f赫兹，则要求位同步脉冲的输出序列。(BS-OUT)也为f赫兹。这里晶振的频率设计在nf赫兹，由晶振输出经整形得到重复频率为nf的窄脉冲，再经扣除门、或门、n次分频后，就可得到频率为f赫兹的位同步信号。如果接收端晶振输出经n次分频后，不能准确地和收到的码元同频同相，这时就要根据相位比拟器输出的误差信号，通过控制器对分频器进展调整。调整的原理是当分频器输出的位同步脉冲超前于承受码的相位时，相位比拟器送出一个超前脉冲，加到扣除门〔常开〕的制止端，扣除一个a路脉冲，这样，分频器输出脉冲相位就推后1/n周期；假设分频器输出的位同步脉冲相位滞后于接收码元的相位，如何对分频器进展调整？晶振的输出整形后除a路脉冲加于扣除门外，同时还有与a路相差180度的b路脉冲序列加于附加门。附加门在不调整时是封闭的，对分频工作不起作用。当位同步脉冲相位滞后时，相位比拟器送出一滞后脉冲加于附加门，使b路输出的一个脉冲通过或门，插入在原a路脉冲之间使分频器的输出添加了一个脉冲。于是分频器的输出相位就提前了1/n周期。这样经反复调整相位，就实现了位同步。2.4帧同步模块帧同步系统可以分为两个局部：巴克码识别器和同步保护。巴克码识别器包括移位存放器，相加器和判决器。帧同步根本原理介绍：在时分复用系统中，为了正确的传输信息，必须在信息码流中插入一定数量的帧同步码，可以集中插入也可以分散插入。本节主要对集中插入同步法进展分析。在集中插入法中，要求插入的同步码在接收端进展同步识别时出现伪同步的概率尽可能小，并且要求该码组有锋利的自相关函数，以便于识别，同时要求接收机端的同步码识别器要尽量简单。目前用得比拟广泛的是性能良好的巴克码〔Barker〕。七位巴克码是1110010，本实验系统中帧同步码为7位巴克码，集中插入到每帧的第2至第8个码元位置上。图2.4七位巴克码识别器从总体上看，本模块可分为巴克码识别器及同步保护两局部。巴克码识别器包括移位存放器、相加器和判决器，图2.5中的其余局部完成同步保护功能。图2.5帧同步模块原理框图移位存放器由两片74LS175组成，移位时钟信号是位同步信号。当7位巴克码全部进入移位存放器时，U50的、、、及U51的、、、都为1，它们输入到相加器U52的数据输入端~，U52的输出端、、都为1，表示输入端为7个1。假设时，表示输入端有4个1，依此类推，的不同状态表示了U52输入端为1的个数。判决器U53有6个输入端。、、分别与U52的、、相连，、、与判决门限控制电压相连，、已设置为1，而L0由同步保护局部控制，可能为1也可能为0。在帧同步模块电路中有三个发光二极管指示灯、、与判决门限控制电压相对应，即从左到右与、、一一对应，灯亮对应1，灯熄对应0。判决电平测试点TH就是L0信号，它与最右边的指示灯状态相对应。当=111时门限为7，三个灯全亮，TH为高电平；当=110时门限为6，和亮，而熄，TH为低电平。当U52输入端为1的个数〔即U53的、、〕大于或等于判决门限于，识别器就会输出一个脉冲信号。当基带信号里的帧同步码无错误时〔七位全对〕，把位同步信号和数字基带信号输入给移位存放器，识别器就会有帧同步识别信号GAL输出，各种信号波形及时序关系如图2.10所示，GAL信号的上升沿与最后一位帧同步码的完毕时刻对齐。图中还给出了÷24信号及帧同步器最终输出的帧同步信号FS-OUT，FS-OUT的上升沿稍迟后于GAL的上升沿。÷24信号是将位同步信号进展24分频得到的，其周期与帧同步信号的周期一样〔因为一帧24位是确定的〕，但其相位不一定符合要求。当识别器输出一个GAL脉冲信号时〔即捕获到一组正确的帧同步码〕，在GAL信号和同步保护器的作用下，÷24电路置零，从而使输出的÷24信号下降沿与GAL信号的上升沿对齐。÷24信号再送给后级的单稳电路，单稳设置为下降沿触发，其输出信号的上升沿比÷24信号的下降沿稍有延迟。图2.6帧同步器信号波形同步器最终输出的帧同步信号FS-OUT是由同步保护器中的与门3对单稳输出的信号及状态触发器的Q端输出信号进展“与〞运算得到的。电路中同步保护器的作用是减小假同步和漏同步。2.5时分解复用模块时分解复用就是把各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进展通信别离出原来的模拟信号。把用一个信道传输中的多路数字信号，用被均匀分成假设干个时隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以到达互相分开的目的。时分解复用信号在接收端只要在时间上恰当地进展别离，各个信号就能分别互相分开并不失真地复原出原来的模拟信号。D触发器〔图符97〕：使帧同步与位同步保持相位一致。单稳态触发器〔图符99〕：使帧同步信号延迟调相，脉冲保持秒，正好是8个位时隙(时间为)组成一个帧时隙。8位存放器〔图符106、108〕：图符106，108分别是延长一个和两个的时隙，主要目的是通过不同的时隙把合路信号别离出第一路，第二路信号。与门〔图符94、131〕：位同步信号与帧同步信号相与，是把位同步信号嵌套到延迟调相后的帧同步信号当中，既保证帧与帧的同步，又保证了帧中间的各个位的同步。帧同步与位同步通过D触发器保持相位一致，然后通过对位同步信号分别延时一个和两个单位时间，再用单稳态触发器让脉冲宽度增大8倍，即保持秒，形成不同的时隙，再将位同步信号和帧同步信号相与，获得两路信号时隙。2.6PCM译码模块PCM译码模块是实现PCM编码的逆系统。该模块主要由串/并转换器、锁存器、D/A转换器、瞬时扩器、低通滤波器组成。PCM译码器组件功能实现：1．串/并转换器〔图符90〕：其具有两路与输入，需要输入外部时钟及清零设置，数据输入A为PCM信号，为不影响与操作，另一路输入B为高电平，时钟与位时钟一样，为256kHz时钟。2．锁存器〔图符120〕：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并行送至D/A转换器。。3．D/A转换器(图符222)：用来实现与A/D转换相反的过程，实现数字量转化为模拟量，从而到达译码最根本的要求。4．瞬时扩器〔图符220〕：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。5．低通滤波器〔图符224〕：由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，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，需要对再生信号进展幅度及相位的补偿，同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中一样的低通滤波器。第三章SystemView系统仿真3.1各模块仿真波形3.1.1信号语音信号源模块如图3.1所示为语音信号源的systemview模块图。图3.1语音信号源模块图此信号源由两路语音信号组成。第一路是由一个2500Hz正弦信号〔图符143〕，第二路是一个高斯白噪声信号〔图符298〕。模块产生语音信号A、B波形如下：图3.2语音信号A图3.3语音信号B3.1.2PCM编码以及时分复用模块SystemView实现模型见图3.4所示。图3.4PCM编码以及时分复用模块图我们在信源库中选取脉冲串作为晶振，设置成频率为Hz，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。分频器用3个分频器对晶振进展分频，参数设定只需将分频系数写成4，8，16。该模块由两路被瞬时压缩器A律压缩的信号，经过A/D转换器，形成两路PCM信号。两路PCM信号再与巴克码源三路时分复用形成合路信号。信号波形如下：图3.5第一路压缩信号波形图3.6第二路压缩信号波形图3.7帧同步信号波形图3.8第一路PCM信号波形图3.9第二路PCM信号波形图3.10和路信号波形3.1.3位同步模块位同步模块的SystemView仿真图如图3.11所示。图3.11位同步模块图该子模块实现位同步功能，产生波形如下：图3.12位同步子系统输出信号波形3.1.4帧同步模块帧同步模块的SystemView仿真图如图3.13所示。图3.13帧同步模块图该子模块实现帧同步功能，产生波形如下：图3.14帧同步子系统输出信号波形3.1.5时分解复用模块时分解复用模块的SystemView仿真图如图3.15所示。图3.15时分解复用模块图时分解复用就是把各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进展通信别离出原来的模拟信号。把用一个信道传输中的多路数字信号，用被均匀分成假设干个时隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以到达互相分开的目的。该模块对位同步子系统输出信号和帧同步子系统输出信号进展处理，最终形成两路信号时隙。该模块波形如下：图3.16延时后位同步信号波形图3.17延时调相后帧同步信号波形图3.18第一路信号时隙波形图3.19第二路信号时隙波形3.1.6PCM译码模块SystemView实现模型见图3.20所示。图3.20PCM译码模块图PCM译码模块是实现PCM编码的逆系统。PCM译码模块主要由串/并转换器、锁存器、D/A转换器、瞬时扩器、低通滤波器构成。该模块经过瞬时扩器产生扩展信号，再经过低通滤波器生成复原信号。波形如下：图3.21扩展信号1波形图3.22复原信号1波形图3.23扩展信号2波形图3.24复原信号2波形3.2系统总仿真图图3.19系统总仿真图总结与体会经过重重困难这次课程设计在今天终于落下了一个句号