1、0目录第一章 设计思路与框图 11.1 设计思路 .11.2 设计框图 .2第二章 各模块电路设计与原理 32.1 语音信号源模块 .32.2 PCM 编码以及时分复用模块 32.3 位同步模块 .62.4 帧同步模块 .72.5 时分解复用模块 .102.6 PCM 译码模块 10第三章 System View 系统仿真 .123.1 各模块仿真波形 .123.1.1 信号语音信号源模块 123.1.2 PCM 编码以及时分复用模块 .133.1.3 位同步模块 163.1.4 帧同步模块 163.1.5 时分解复用模块 173.1.6 PCM 译码模块 .193.2 系统总仿真图 .21第
2、四章 总结与体会 22参考文献 231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接受对方发过来的信息，完成全双工通信，采用 PCM 编码技术。对于语音编译码部分将采用芯片 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
3、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 把若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，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）
4、，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 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
5、13 折线法编码并采用非均匀量化 PCM 编码。21.2 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，再通过时分解复用分离出两路语音信号 A、B ，然后两路信号分别进入不同的 PCM 译码系统，完成还原各路信号。下图为系统总体结构框图：图 1.1 系统总体结构框图语音信号 BPCM 编码以及时分复用还原语音信号 A还原语音信号 BB 路译码 时分解复用位同步语音信号 A 帧同步 A 路译码 3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（
6、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范围为 3003400Hz，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。2.2 PCM 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，由于电话线的带宽约为 3000Hz，以电话的音质为准，一般认为在通信中语音的带宽为 300Hz3400Hz。由于 PCM 量化采用非均匀量化，两路语音信号
7、A、B 分别输入到两个瞬时压缩器（图符 275、图符 276）中实现A 律压缩后再进行均匀量化，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
8、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：4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 ，kyk=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ky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：xk1x ky1(),1,23,kkkyQ这里 称为分层电平或判决阈值。通常 称为量化间隔。k kkx1图
9、2.1 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()mt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v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
10、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： AXxy10,ln1,模拟值yx量化器量化值5A 律压扩特性是连续曲线，A 值不
11、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，它基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行编码的。（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
12、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 .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 2.4 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
13、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。6图 2.2 时分复用示意图这个通信系统主要用
14、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
15、，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。2.3 位同步模块位同步基本原理介绍：位同步锁相法的基本原理和载波同步类似。在接收端利用鉴相器来比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者不一致（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。7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、相位比较器和控制器组成。图 2.3 数字锁相原理方框图其中，
16、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。若接收码元(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较器输出的误差信号，通过控制器对分频器进行调整。调整的原理是当分频器输出的位同步脉冲超前于接受码的相位时，相位比较器送出一
17、个超前脉冲，加到扣除门（常开）的禁止端，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；若分频器输出的位同步脉冲相位滞后于接收码元的相位，如何对分频器进行调整？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，相位比较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。82.4 帧同步模块帧同步系统可以分为
18、两个部分：巴克码识别器和同步保护。巴克码识别器包括移位寄存器，相加器和判决器。帧同步基本原理介绍：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行分析。在集中插入法中，要求插入的同步码在接收端进行同步识别时出现伪同步的概率尽可能小，并且要求该码组有尖锐的自相关函数，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。目前用得比较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
19、码识别器9从总体上看，本模块可分为巴克码识别器及同步保护两部分。巴克码识别器包括移位寄存器、相加器和判决器，图 2.5 中的其余部分完成同步保护功能。图 2.5 帧同步模块原理框图移位寄存器由两片 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寄存器时，U50 的 、 、 、 及 U51 的 、1Q2341Q、 、 都为 1，它们输入到相加器 U52 的数据输入端 ，U52 的输2Q34 0D6出端 、 、 都为 1，表示输入端为 7 个 1。若 时，表示输入端0Y12 12Y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02Y器
20、 U53 有 6 个输入端。 、 、 分别与 U52 的 、 、 相连， 、IN10I202L、 与判决门限控制电压相连， 、 已设置为 1，而 L0 由同步保护部分1L0 2L1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 、1P、 与判决门限控制电压相对应，即从左到右与 、 、 一一对应，灯2P3 2L10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32L10=110 时门限为 6， 和 亮，而 熄，TH 为低电平。当 U52 输入端2L10P23为
21、1 的个数（即 U53 的 、 、 ） 大于或等于判决门限于 ，识IN10I 2L10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寄存器，识别器就会有帧同步识别信号 GAL 输出，各种信号S-IN GAL 24 FS-OUT 10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结束时刻对齐。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行 24 分频得到的，其周期与帧同步信号的周期相同（因为一帧 24 位
22、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 端输出信号进行“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
23、间隙进行通信分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，用被均匀分成若干个时隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开的目的。时分解复用信号在接收端只要在时间上恰当地进行分离，各个信号就能分别互相分开并不失真地还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，610正好是 8 个位时隙(时间为)组成一个帧时隙。8 位寄存器（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分离出第一路，第二路信号。与门（图符 94、
24、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61011号时隙。2.6 PCM 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、瞬时扩张器、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
25、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，时钟与位时钟相同，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。 3D/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，从而达到译码最基本的要求。4瞬时扩张器（图符 220）：实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用 A律压缩，扩张也必须采用 A 律瞬时扩张器。 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
26、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。12第三章 System View 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。13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 B143.1.2 PCM 编码以及时分复用模块SystemView
27、实现模型见图 3.4 所示。图 3.4 PCM 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-6610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 个分频器对晶振进行分频，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：15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16图 3.8 第一路
28、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173.1.3 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。18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。19图 3.15 时分解复用模块图时分解复用
29、就是把各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信分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，用被均匀分成若干个时隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开的目的。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行处理，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20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3.1.6 PCM 译码模块SystemView 实现模型见图 3.20 所示。21图 3.20 PCM 译码模块图PCM 译码模块是实现 PCM 编码的逆系统。PCM
30、 译码模块主要由串/ 并转换器、锁存器、D/A 转换器、瞬时扩张器、低通滤波器构成。该模块经过瞬时扩张器产生扩展信号，再经过低通滤波器生成还原信号。波形如下：图 3.21 扩展信号 1 波形图 3.22 还原信号 1 波形图 3.23 扩展信号 2 波形22图 3.24 还原信号 2 波形3.2 系统总仿真图图 3.19 系统总仿真图23第 4 章 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。期间我遇到过许许多多的问题和困难，但是在大家的努力下把这些困难都一一克服了，在历经重重困难后终于做好了本次课程设计，这对我来说就是一种进步，一种成长。在开始做课题的时候，我们什么都不会，不
31、会仿真，不会接线，甚至软件都不会，但是我没有放弃，不会就先看书，从最简单的看起，慢慢学，一点点积累。我从仿真开始，由于我理论知识不是很好，我就在网上找了许多资料。开始，我沿用资料做出了一样的仿真，在这个过程中让我学会了做仿真图，学会了用软件，学会了接线，同时也学会了关于课题的理论知识。之后，我就开始在仿真上加入我自己的理解，最后就做出了与资料不一样的仿真，最终在老师与同学的帮助下完成了本次课设。从这件事我悟出了道理，就是你只要去学，就一定可以成功。 我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这
32、是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。最后，我要感谢刘老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向刘老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。24参考文献1 通信原理教程 樊昌信 电子工业出版社，20082 现代通信系统与信息网 鲜继清 等 高等教育出版社，20053 高频电子线路 高吉祥 电子工业出版社，2007 4 电子技术基础 康华光 高等教育出版社，2006 5 通信原理实验 浣喜明 湖南工程学院 ， 2005 6 现代交换原理与技术 郑少仁 等 电子工业出版社，20067 现代通信原理习题解答与实验教程 陆辉 电子工业出版社 ，2008 8 现代通信原理 曹志刚，钱亚生 清华大学出版社，19929 现代通信原理及应用 苗长云 电子工业出版社，2005
