PCM通信系统设计说明书

武汉理工大学数字通信系统课程设计 0 信系统设计说明书 1 理概述 1.1 念 脉冲编码调制 (泛应用于通信系统中，并且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 (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 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 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中的所有信号，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， 是通信网设计中十分重要的条件。虽然 如 10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 理框图 所谓脉冲编码 (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 武汉理工大学数字通信系统课程设计 1 1.3 化过程 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。 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 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张器，使信号还原成原值。 A 律 13 折线近似在整个 0 1 的范围内分成八大段。在 x 轴的 0 1 区间是以 1/2 递减规律分成八大段，其分段点是 l/2、 1/4、 1/8、 1/16、 1/32、 1/64信道 译 码 低通 滤波 音频信号 抽样 图 信系统方框图 量化 编码 音频信号 干扰 武汉理工大学数字通信系统课程设计 2 和 1/128。最小的分段间隔是 1/128，最大的分段间隔为 1/2。将 0 1/128 称做第一段， 1/128 1/64 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 :16,16,8,4,2,1,25。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= 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。 图 3 折线法的特性图 未压缩 （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） （ 5） （ 6） （ 7） （ 8） 161 8141211 y 1 8786858483828103216411281武汉理工大学数字通信系统课程设计 3 1.4 码 编码类型有多种，如 :低速编码和高速编码型、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/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 27 128 个量化级。段落码和 8 个段落之间的关系和段内码与 16个量化级之间的关系如表 表 落码和 8个段落之间的关系和段内码与 16个量化级之间的关系 段落序号 段落码 量化级 段内码 8 111 15 1111 14 1110 7 110 13 1101 12 1100 6 101 11 1011 10 1010 5 100 9 1001 8 1000 4 011 7 0111 6 0110 3 010 5 0101 4 0100 武汉理工大学数字通信系统课程设计 4 2 001 3 0011 2 0010 1 000 1 0001 0 0000 译码器的实现可以借鉴单片 码器集成芯片，如： 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 武汉理工大学数字通信系统课程设计 5 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，在国际上已逐步建立其标准。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。 图 个信号的时分复用 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 到两路 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 武汉理工大学数字通信系统课程设计 6 移位寄存器数据选择器锁存器数据选择器码型选择数据选择器F - D A T F M B M 数据选择器第四路全零B 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 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 码开关 复用信号通过解复用电路还原出两路 别送入时分复用模块和模拟信号数字化模块进行 到的两路信号分别与输入信号相同。图 图 结构图 武汉理工大学数字通信系统课程设计 7 J - D A T B 频J 2 - D A T - D A T - F S / J 2 - F - B S / J 2 - B F 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 /串转 换电路输出串行的数据。 武汉理工大学数字通信系统课程设计 8 3 电路设计 路工作原理 在本实验中我们选择 律变换，以 息帧为无信令帧，它的发送时序与接收时序直接受 系统上电： 当开始上电瞬间，加压复位电路启动 有非主要电路都失效，而 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 且 是有两种掉电控制模式可以利用。在第一种中 另一种模式中使 最后一个 件将进入掉电状态，一旦第一个 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 系统时序 ： 帧同步工作 ： 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， 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 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， 64同步脉冲至少要在 160着 论哪一个先到）来到， 是被时钟移出的第一比特为符号位， 以后到来的 个上升沿以时钟移出剩余的 7位码。随着第 8个上升沿或 论哪一个后发生），以后 8个 接收帧同武汉理工大学数字通信系统课程设计 9 步脉冲 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 位 个时序号是由 A/在其它时隙时 编码器是没有输出的。同样在一个 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 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/，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，我们定义为 们是周期性的，并且 它的周期和多路 125s ，这样，每来一个 译码器就输出一个 来一个 译码器就从外部输入一个 编译码器一般都有一个 译码能正常工作，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 考虑到系统时钟频率较高 ,本系统利用 生成时钟信号 ,发送时添加帧同步码 ,解码时检测帧同步码 功能 . 本系统中所有的时隙都是从频率为 经分频分相后得到 8 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 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 是为了说明原理所以选择 8位。 武汉理工大学数字通信系统课程设计 10 真模块电路 码模块 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 /串转换器（图符 255）、输出端子构成（图符 268）组成，系统模型如图 图 经过低通滤波器完成信号频带过滤的信源信号通过 码器，由于 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 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 260）等组成，系统模型如图 示。 武汉理工大学数字通信系统课程设计 11 图 分复用模块 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 3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 统模型如图 图 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 3003400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。 武汉理工大学数字通信系统课程设计 12 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 : 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武汉理工大学数字通信系统课程设计 13 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。 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：进行两输入信号的与运算。 仿真实现如下图 : 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武汉理工大学数字通信系统课程设计 14 接收端提取时分复用信号中两路 本次设计中用到的解时分复用模块如图 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 图 时分复用模块系统图 译码器模块 存器：经过串并转换后的串行数字语音信号，每 8须经过锁存才可以将数据并行送至 D/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/瞬时扩张器：实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用 张也必须采用 通滤波器：武汉理工大学数字通信系统课程设计 15 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 : 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。 武汉理工大学数字通信系统课程设计 16 4 总电路图 综合上述各个模块，得到两路 所示。 图 路 武汉理工大学数字通信系统课程设计 17 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 武汉理工大学数字通信系统课程设计 18 帧同步信号波形图 第一路语音 号波形图 武汉理工大学数字通信系统课程设计 19 第二路语音 号波形图 合路语音 提取出的位同步信号波形图 武汉理工大学数字通信系统课程设计 20 提取出的帧同步信号波形图 第一路时隙信号波形 第二路时隙信号波形 武汉理工大学数字通信系统课程设计 21 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 1500000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大的改善。 武汉理工大学数字通信系统课程设计 22 6 实物焊接与调试 本次课程设计实物主体部分由我完成，经过电原理图设计，通信系统布线图设计，实物焊接与调试最终完成实物。 物电原理图 根据仿真