（电路与系统专业论文）多通道语音传输系统的研制.pdf

摘要 ， 7 在多媒体教学系统中，原先的模拟传输技术已经远远满足不了日 益增长的对语音音质的追求和对信号进行编辑、处理的需要。 因此，j 本文研究并设计了多媒体教学系统中新的语音处理方法。 它将多路信号复用成一路，通过正交调制，将其传输出去。在接收端， 将其解调接收出来，经过同步提取，可以根据要求，从多路中任意读 出一路出来。 本设计采用了m a x i m 公司的调制与解调芯片，在发送端，采用 了一片t m s 3 2 0 c 3 1 芯片作为发送系统的处理器和控制器。在接收 端，使用双片r a m 对信号进行交替存储、读数。 本设计对数字通信中的同步理论和实现，进行了详细的讨论与研 究，对一般文献中均不涉及的d s p 与a d 的接口中的各种情况，进 行了详细的研究，并设计了相应的电路与程序。 关键字：硬件设计 d s p 应用 同步理论与实现 i i a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , w e f o c u so nt h e d e s i g n o fm u l t i c h a n n e la u d i o t r a n s m i s s i o ns y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) t e c h n o l o g y , n e w r e s o l u t i o nh a sb e e nu s e di n d i g i t a l c o m m u n i c a t i o na r e a s ow er e s e a r c ha n dd e s i g nn e wa u d i os i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d i t t u r n sm u l t i p l e xs i g n a li n t oas i n g l es i g n a la n dt r a n s m i t si to u tv i aq a m m o d u l a t i o n a tt h e r e c e i v i n gt e r m i n a l ，i t c a nb ed e m o d u l a t e da n d r e c e i v e d t h e ni tc a nb es e p a r a t e ds y n c h r o n o u s l y a n dt h es i n g l es i g n a l c a nb er e c e i v e da c c o r d i n gt oo u rd e m a n d i nt h e p r o c e s s o f d e s i g n i n g ，w ea d o p t t h e m o d u l a t i n g a n d d e m o d u l a t i n gc h i p s o fm a x i m c o ，l t d a tt h es e n d i n gt e r m i n a l ，w e u s e at m s 3 2 0 c 3 1 c h i pa st h ep r o c e s s o r a n dc o n t r o l l e ro ft h es y s t e m a tt h e r e c e i v i n gt e r m i n a l ，w e u s et w or a m c h i p s t op r o c e s st h es i g n a l w ee l a b o r a t et h es y n c h r o n i z a t i o nt h e o r ya n d i t sr e a l i z a t i o ni nd i g i t a l t e l e c c l m m u n i c a t i o n b e s i d e sw ee l a b o r a t et h ei n t e r f a c eo f d s pa n da d ， w h i c hi ss e l d o md i s c u s s e di nu s u a lp a p e r s f i n a l l y , w ed e s i g n e d t h e c i r c u i t sa n d p r o g r a m c o n c e r n e d k e y w o r d ：h a r d w a r e d e s i g n t h e a p p l i c a t i o n o fd s p s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m s i nc o m m u n i c a t i o n i i i 第一章绪论 第一章绪论 第一节多媒体教学系统中的模拟传输和数字传输 在多媒体教学系统中，语声信号的传输可分为模拟传输和数字传输，也就 是有模拟通信和数字通信两种方式。 按照在传输信道中所传输信号的类别，通信可分为模拟通信和数字通信两 大类。 摸拟通信：信源所发出的信息经变换器变换和处理后，送往信道上传输的 是模拟信号的通信系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的一般构成模型如图 i - i - i 所示。 图i - l - 1 数字通信：与模拟通信相对应，在信道中传输数字信号的通信系统即为数 字通信系统。语声数字通信系统构成如图卜1 2 所示。在发送端经声电变换将 语声变换为模拟电信号，在经模数变换设备将模拟电信号变换成二进制数字电 信号再送至信道传输。在接收端经数模变换和电声变换还原成声音送给收信 者。 图1 - 1 - 2 数字通信系统与模拟通信系统比较有如下几个优点： 1 ) 抗干扰能力强：因为在信道上传输的是仅可取有限离散值的数字信号， 在传输过程中受噪声干扰还没有恶化到一定程度时，可用再生的办法再 生成原信号并消除干扰噪声。而模拟信号在传输过程中所叠加的噪声则 不易消除。 2 ) 便于加密处理：信息传输的安全性和保密性越来越受到重视，数字通信 第一章绪论 的加密处理比模拟通信更容易实现。以语声数字通信为例，经过数字变 换后的信号就可用简单的数字逻辑运算进行加密处理。 3 ) 设备易于集成化、微型化：由于数字通信系统中大部分电路都是由数字 电路来实现的，微电子技术的发展可使数字通信系统便于用大规模或超 大规模的集成电路来实现。 4 ) 便于构成综合数字网和综合业务数字网：采用数字传输方式，可以通过 采用先进的程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综 合。各种信息形式的通信业务都可以实现数字化以构成数字网。 在多媒体教学系统中，采用数字通信方式更有其独特的优点。由于我们是 用于教学系统的，所以我们的内容更具有灵活性，我们往往是更注重于能够对 传输的内容进行录制、采编、编辑、存储，并往往随着画面的变化，我们要能 够进行动态的配音、回放。能够随时切换画面与声音，并在一个画面中能切入 另一个画面与声音。所有的这些功能，无疑是采用数字处理形式更容易实现， 并且能够方便地用计算机对节目进行控制、编辑。正因为如此，所以国内多媒 体教学系统的生产厂家纷纷将力量投入到数字产品的开发和研究中。而我们所 进行的，就是多媒体教学系统中多通道立体声语音同轴电缆广播系统的研制。 第二节我们的工作和本文的主要内容 我们从事了整个系统的研制，从发送部分的信号采集与处理，再经过调制 后发送出去，到接收部分的信号解调、同步的提取、信号的读取和转换。 在发送部分，我们将1 2 通道信号复用成一路，进行a d 转换，采用了一片 t b i s 3 2 0 c 3 1 作为控制器和信号处理器，并采用m a x i m 公司的m a x 2 4 5 2 正交调制 集成电路对信号进行调制。 在接受部分，我们经过正交解调、载波同步、位同步、帧同步，经过串并 转换后，交替存到两片r a m 中，然后根据外部选择，从中读出我们所需要的那 一路信号出来，经过并串转换、解扰、d a 转换、低通滤波后输出。 由于内容较多，因此在本文中我们将不对全部内容均作详细叙述，而是在 简要介绍整个系统后，有选择地介绍几个重点内容。所以本论文将先介绍整个 系统的工作原理、组成、结构；然后，然后介绍一下有关同步的原理与实现的 一般知识，因为这是我们接收系统的理论基础，并重点介绍我们所采用的方法； 最后，我们将详细介绍发送和接收系统的几个典型的重点电路的设计。 第二章系统原理及组成结构 第二章系统原理及组成结构 第一节系统的性能与总体设计 系统由发送部分和接收部分组成。输入信号共有六路立体声信号，每路有 左右两个通道，计有十二个通道。输入信号要求的频带范围为7 k ，因此，我们 确定的采样频率为1 6 k 。要求输出信号的动态范围为6 5 d b 左右，所以，我们采 用的量化位数为1 2 位，也就是说a d 转换器的位数为1 2 位。这时，信号动态 范围能达到 2 0 1 9 2 1 2 = 7 2 ( d b ) 就算a d 转换只能达到“位，动态范围也能达到6 6 d b 。另外，要求系统的声 道分离度为5 5 d b 以上，这也是能达到的，数字系统的声道分离度值与动态范围 值相同。这样，整个系统的音质效果就能达到一个较高的水平，我们日常生活 中的模拟录音机也仅仅是频响范围为7 1 0 k ，动态范围为6 0 - 7 5 d b 左右。 当每个通道的采样频率为1 6 k 、量化位数为1 2 位是，1 2 个通道的数据码 率为1 6 k * 1 2 b r * 1 2 = 2 3 0 4 m b p s 。、这样高的码率若使用一般的单片机，由于我们 要对信号进行加扰、加同步头、加控制字( d ，a 中要求的) 等，实现起来有困 难。因此，我们使用了片d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 1 ，它的指令周期为 3 3 4 0 5 0 6 0 7 4 n s ，有分开的程序总线和数据总线，主总线有3 2 位数据线、2 4 位地址线，有一个串行口，可以进行四级流水线操作，所以它能很轻易地作为 我们的信号处理器和控制器。 由于我们的信号是经过同轴电缆进行较长距离的传输的，因此，它必须进 行载波传输。经确定，我们占用6 5 7 5 m - 7 3 7 5 m 这一频带，中心频率确定为 6 8 5 m 。而且我们的设计制作成本应尽可能的低，工作必须可靠，因此我们选用 了集成度好、性能价格比高的m a x 2 5 5 1 、2 4 5 2 作为调制解调芯片，这是一种 正交调制、解调芯片，我们采用二进制q a m 调制。 我们有足够的频带，所以在本设计中暂不考虑采用语音压缩技术。由于无 需进行压缩，为了设计方便，我们每帧由1 2 个样点组成，也就是每个通道取一 点构成一帧，再加上a d 转换器要求每个样点都需一个4 b i t 的控制字，所以每 个样点要用1 6 b i t 来表示，这样我们每帧有2 0 0 b i t ( 加上8 b i t 同步头) 。所以， 我们的数据码率应为3 2 m ，但信号在d s p 中进行处理后，从串行口出来的时 钟频率是在c 3 1 中进行分频之后得到的，它是用整数分频的，我们选用3 3 3 3 m ，所以，数据的实际码率为3 3 3 3 m 。 在发送时，我们发送的是六路立体声语音信号，在播放时只需挑出所需的 第二章系统原理及组成结构 那一路即可，另外，考虑到将来要加入音频压缩、解压缩，所以在接收部分， 采取了双片r a m 进行交替存取。存储时一次存一帧( 六路计有十二通道信号) ， 读出时，只读出需要的那一路出来，进行解扰与d a 转换。 关于同步问题：我们确定位同步的提取采用数字锁相法，帧同步就由一个 简单的全同比较器来实现。 第二节发送系统的组成与原理 1 引言 发送系统主要包括线路及m i c 信号放大电路、低通滤波电路、多路复用电 路、a d 转换电路、t m s 3 2 0 c 3 1 及其外围电路、调制电路等部分。该系统能将 外界输入的模拟音频信号转换为数字信号后，调制到系统规定的频段上发送出 图2 2 1 去。调制采用二进制q a m 调制，采用m a x i m 公司的单片集成调制芯片 m a x 2 4 5 2 。 在发送系统中，比较难以实现的和关键的部分为q a m 调制部分和c 3 1 及 其外围电路。这些均是在设计接收系统时需要重点考虑的问题，它们的成败与 第二章系统原理及组成结构 否直接影响到整个系统是否能正常工作，尤其是q a m 调制部分，更是重中之 重，是整个发送系统的灵魂。因此，在第四章将详细介绍这几个重点电路的设 计与实现。 发送部分整个组成框图如图3 2 1 所示。下面将具体论述系统的工作原理及 组成结构。 2 系统的工作原理 系统原理框图如图2 2 1 所示，具体电路图见附录。m i c 及线路输入的音频 信号经过前置放大后，输入至低通滤波器。低通滤波器滤除了信号中的高频分 量，消除了混叠效应和高频噪声，可以有效地提高信噪比。然后经多路开关依 次选通，每一路每一次选通的值仅作为一个a d 变换样点。之后经放大、射随 后进入a d 转换器。a d 转换器直接挂在t m s 3 2 0 c 3 1 的主总线上，t m s 3 2 0 c 3 1 通过译码电路、主总线接口的外部选通信号、中断信号控制a d 转换器对信号 的采样、转换和输出。t m s 3 2 0 c 3 l 对码流进行加同步头、加控制头、加扰之后， 从串行口d x o 以3 3 3 m 的码率输出。d s p 串行口输出的信号，经过限幅后，送 至m a x 2 4 5 2 调制电路，经过调制之后发送出去。 系统中的低速e p r o m 用于存放程序和初始化数据。复位控制电路用于监 视电源，在电源波动时，提供正确的复位信号，保证系统正常工作。地址译码 电路完成存储器及i 0 接口电路的地址分配。 3 系统的组成 1 ) 音频信号放大及m i c 信号放大 模拟音频信号包括m i c 信号以及线路输入信号，这两种信号分别经过由运 算放大器构成的放大电路，将小信号放大至一定的电平。放大后的信号应通过 一个低通滤波器，我们在这里选用t l c l 4 低通滤波器，将高频信号滤除，以消 除混叠效应对低频信号的影响。 t l c l 4 为开关电容滤波器，它的时钟频率与通过的信号频率之比为1 0 0 ：1 。 t l c l 4 的时钟由d s p 的1 计时器提供，为6 6 6 6 6 6 m ，因此，音频信号的截止 频率为7 k ，这正是我们所需要保留的信号。另外，t l c l 4 有t t l 电平工作方 式和c m o s 电平工作方式，在这里我们采用的是c m o s 电平工作方式。 我们使用的运算放大器为n e 5 5 3 2 ，它是一种双运放、低噪声、具有良好通 道隔离度、价格低廉的运算放大器，多数场合用于音频放大，被国内外许多音 响厂家选作中低档音响的音频前置放大器。在发送系统中的放大电路和跟随电 路我们均采用n e 5 5 3 2 。 第二章系统原理及组成结构 由于m i c 信号输入极其微弱，仅1 0 2 0 m y 左右，因此，放大m i c 信号时我 们不能使用n e 5 5 3 2 ，我们选用了一种专用于微弱音频信号放大的话筒放大器 k a 2 2 2 4 1 。k a 2 2 2 4 1 是一种双通道、带a l c ( 自动电平控制) 的音频电压放大 单片集成电路，它具有电源电压范围宽、噪声电平低、开环增益高、a l c 响应 好等特点。它内设静噪电路，无需输入耦合电容及a l c 二极管、三极管，所用 外围元件少，是音频音响设备中常用的器件。k a 2 2 2 4 1 的电路框图见图2 2 2 所示。 图2 - 2 - 2 2 ) 多路复用电路 由于从线路输入的音频信号有六路立体声信号，每一路均由左右两个声道 图2 - 2 - 3 因此总共有十二个声道。我们使用一个多路开关，依次对每一路取一个样点， 复用成一路，作为一帧。如此循环取样，形成连续信号。多路复用的原理框图 如图2 2 3 所示。我们采用的多路开关为m a x 3 3 6 ，它有十六个通道，由四位 地址控制选通。它的内部原理框图与选通信号如图2 - 2 4 所示。 m a x 3 3 6 选通信号由一片7 4 l s l 6 1 产生，时钟为1 6 k + 1 2 = 1 9 2 k ，由 t m s 3 2 0 c 3 1 的0 计时器提供。信号经过多路开关后，再经过放大，使之适合于 第二章系统原理及组成结构 a d 转换的电平。 3 ) a d 转换电路 a d 转换器采用m a x i m 公司近几年推出的1 2 位a d 转换器m a x l 2 2 ， 该芯片具有高达3 3 3 k 的采样速度，并且集跟踪保持器、精密电源于一体，因 m 3 * 1 1 4 k n k t s i m k c 岫u l t i p “堪t 图2 - 2 - 4 而由它构成的采样模块结构很简单。与其它同类产品相比，该芯片性能价格比 高，故在语音、噪声等信号处理系统及动态性能要求较高的自动控制系统中， 作为数据采集部件十分理想。m a x l 2 2 可以很容易地与一般处理器接口，不需 过多考虑时序问题。然而，当它与高速处理器d s p 接口时，就要从软硬件的设 计上仔细考虑时序问题和其它问题。因此，在本文后面章节将详细讨论d s p 与 a d 的接口问题。 4 ) d s p 及其外围电路 a d 器件作为d s p 的一个外设直接挂在d s p 的主总线上，在后面章节我们 将详细讨论有关问题。因此，与之有关的译码电路将在后面章节介绍。对于 t m s 3 2 0 c 3 1 的一般情况，许多资料均有详细介绍，我们这里不再赘述，我们将 在此介绍几个我们设计中的问题。 自动复位电路和时钟电路 自动复位电路除了具有上电复位的功能外，还具有监视系统运行并在系统 图2 - 2 - 5 第二章系统原理及组成结构 发生故障或死机时再次进行复位的能力。其基本原理就是电路提供一个用于监 视系统运行的监视线，当系统正常运行时，应在规定的时间内给监视线一个高 低电平变化的信号。如果在规定的时间内这个信号不发生变化，自动复位电路 就认为系统运行不正常并重新对系统进行复位。根据上述原理，我们用m a x 7 0 6 ( m a x 公司提供了一系列的这种电路) 设计了一个自动复位电路。如图2 2 5 所示。 给d s p 芯片提供时钟一般有两种方法。一种是利用d s p 芯片内部所提供的 晶振电路，在d s p 芯片的x 1 和x 2 c l k i n 之间连接一晶体可启动内部振荡器。 另一种是将外部时钟源直接输入x 2 c l k i n 引脚，x 1 悬空。本系统采用第二种 方法。 程序存储器接口 t m s 3 2 0 c 3 1 有两种工作方式，工作方式由引脚m c b l m p 的电平确定。当 m c b l m p 为低电平时，工作于一般的微处理器方式，当该引脚为高电平时，则 工作于m c b l 微计算机方式( 引导方式) 。本系统中c 3 1 工作于微计算机方式。 m c b l 方式下存储器地址分配如表2 2 1 所示。在微计算机方式下，c 3 1 的 程序可以从e p r o m 、p r o m 或串行口装入到系统中全速运行。当使用e p r o m 、 p r o m 时，可以采用8 1 6 3 2 位三种状入方式，给硬件设计带来极大的灵活性。 本系统采用八位e p r o m 工作方式，系统加电运行时，c 3 1 将自动装入程序和 初始化数据。 o x 0 0 0 0 0 0 o x 0 0 0 0 c o 0 x o o l 0 0 0 x 4 0 0 0 0 0 0 x 8 0 0 0 0 0 o x 8 0 8 0 0 0 0 x 8 0 9 8 0 0 0 x 8 0 9 c 0 0 0 x 8 0 9 f c i o x 8 0 a 0 0 0 0 x f f f 0 0 0 0 x f f f f f f 中断位置( b o o t ) 及保留 ( 1 9 2 ) ( 内部) 自引导程序 b o o t il 外部s t r b 激活 b o o t 2l 保留( 3 2 k 字) 外设总线存储器映像寄存器 ( 6 k 字内部) r a m 块0 ( 1 k 字内部) r a m 块i ( i k 6 3 字内部) 用户程序中断及t r a p 跳转( 6 3 字内部) b o o t 3 外部s t r b 激活 表2 - 2 1 程序装入有b o o t l 、b o o t 2 、b o o t 3 三种方式，这三种方式的区别仅仅 是地址不同而已。我们采用b o o t 2 的方式，e p r o m 的起始地址为0 x 4 0 0 0 0 0 。 第二章系统原理及组成结构 e p r o m 采用s m j 2 7 c 51 2 。 译码电路采用g a l l 6 v 8 ，其中y 1 为e p r o m 的片选信号，地址范围是 0 x 4 0 0 0 0 0 至0 x 4 0 f f f f 。 本系统采用s m j 2 7 c 5 1 2e p r o m 作为存放程序和初始化数据的存储器，其 容量为6 4 k 8 ，地址范围是0 x 4 0 0 0 0 0 至0 x 4 0 f f f f 。e p r o m 与c 3 1 直接相连， 地址线a 0 - a 1 6 连接c 3 1 的a 0 一a 1 6 ，数据线d o d 7 连接c 3 1 的d o d 7 ，片选 信号连接译码电路的y 1 。 中断电路设计 j i m s 3 2 0 c 3 1 的中断系统包括四个外部中断、串行口发送中断、串行口接收 中断、两个定时器中断及d m a 中断。c 3 1 的四个外部中断采用电平触发方式， 不支持边沿触发。而往往在实际的d s p 应用中需要边沿触发方式，本系统也是 如此。在这种情况下，需要设计一个将脉冲边沿转化为一个窄的低电平信号， 并保证这个低电平能够触发并且只触发一次外部中断。 t m s 3 2 0 c 3 1 在h 1 时钟的下降沿检测中断引脚，且每两个h i 时钟周期从 同一中断源接收一次中断。为了使c 3 1 芯片只识别一次中断，低电平窄脉冲的 宽度必须至少包含一个h 1 的下降沿，至多包含两个h 1 的下降沿，也就是说窄 脉冲的宽度t 必须满足：p - 2 p ( p = h 1 的周期) 。中断转换电路如图2 - 2 6 所 示。 il 薹誊 窿 图2 - 2 - 6 图中r 、c 决定窄脉冲的宽度，t = r c 。因此，对我们所用的4 0 m 时钟， h 1 的周期为5 0 n s ，r c 的值应在5 0 n s 和l o o n s 之间，取r = i 8 k ，c = 4 7 p f ， r c = 8 4 6 n s 。 程序引导功能的实现 t m s 3 2 0 c 3 1 具有程序引导功能，这使得硬件的设计非常灵活。c 3 1 实时运 行的程序和数据可以从外部的低速e p r o m 或串行口装入。程序引导功能由c 3 1 内部固化的引导程序( b o o t ) 实现的，类似微机的b i o s 。m c b l m p 用来选 择工作方式，该引脚为低电平时是微处理器方式，这种工作方式类似于通用的 单片机系统，高电平时为引导微计算机方式。微计算机的存储分配表如表2 - 2 1 所示，待装入的程序可以驻留在b o o t l 、b o o t 2 、b o o t 3 三块存储器中的任 意一块。装入数据的字长可以是8 位字节、1 6 位半字方式、3 2 位字方式。具体 第二章系统原理及组成结构 选择可以根据程序量的大小来决定。本系统中采用的是8 位字节方式。 中断引脚装入方式存储器地址 ，i n t 3 3 2 位串行串行口 i n t 0 外部存储器b o o t l ：0 x o o l 0 0 0 ，j n t l 外部存储器 b o o t 2 ：0 x 4 0 0 0 0 0 ，i n t 2 外部存储器b o o t 3 ：0 x f f f 0 0 0 表2 - 2 - 2 在c 3 1 复位，且m c b l m p 引脚为高电平时，c 3 l 自动运行其内部的自引 导程序。具体采用存储器装入还是采用串行口装入由i n t 0 i n t 3 引脚的电平确 定。表2 - 2 2 列出了四种状入方式及其相应的地址，本系统采用的是b o o t 2 存 储器装入方式。 采用外部存储器装入时，程序头必须包括以下信息：外部存储器的宽度 ( 8 1 6 3 2 位) ：程序代码块的长度；装入的目的起始地址：存储器访问的定时 控制。程序头如表2 2 3 所示。 位置作用说明 0 b o o t 存储器配置0 x 0 8 8 比特 ( 8 1 6 3 2 )0 x 1 0 1 6 比特 0 x 2 0 3 2 比特 1 b o o t 存储器配置插入等待状态数等 2 程序代码长度不超过2 4 位寻址长度 3 目的起始地址任意可用的2 4 位地址 4 程序代码用户程序代码和数据 表2 - 2 - 3 另外，在程序代码之后，因写入一个全零字，即0 x 0 0 0 0 0 0 ，用于表示程序 代码的结束，并使c 3 1 从程序代码头开始执行。 i n t l 信号的给出见图2 - 2 6 所示。当c 3 1 复位产生后，检测到i n t l 引脚， 系统将自动运行自引导程序，用b o o t 2 存储器方式，将e p r o m 中的程序以及 初始数据装入c 3 l 执行。 5 ) m a x 2 4 5 2 谓制电路 在本系统中，我们采用m a x i m 公司的单片集成正交调制器m a x 2 4 5 2 。它 可以方便地对被调信号进行q a m 调制，工作频率从7 0 - 1 6 0 m ，外接元件少， 能方便的实现调制载频的高度稳定。内部还包含前置四分频器，可通过外接参 考晶振和数字鉴相器进行分频鉴相。由于调制电路是发送系统的一个重点和难 第二章系统原理及组成结构 点，本文将在后面的章节进行重点讨论。详细的电路设计请见附录电路及后面 章节。 第三节接收系统的组成与原理 1 引言 接收系统主要由接收解调、同步电路、存取电路、数模转换与低通滤波等 部分组成。它将从同轴电缆传来的中频信号经过接收解调后，交替存到两片r a m 中，然后根据需要，可以任意选出其中一路读出并播放出来。具体接收系统的原理 框图如图2 3 1 。 在接收系统中，实现起来比较困难的硬件电路分别为：q a m 解调、同步( 包 括载波同步与位同步) 实现、对双片r a m 的控制等。这些均是在设计接收系 图2 3 1 统是需要重点考虑的问题。它们的成败与否直接影响到整个系统是否能正常工 作，尤其是载波同步和位同步的提取，更是重中之重，是整个系统的灵魂。因 此，本文将第三章重点讨论同步理论与实现的一般性问题，并在第四章详细介 第二章系统原理及组成结构 绍载波同步与位同步电路的设计与实现。 下面将具体论述系统的工作原理及组成结构。 2 系统的工作原理 系统原理框图如图2 - 3 1 所示，具体电路图见附录。系统将同轴电缆传来的 经过中频滤波后的信号送入m a x 2 4 5 1 单片锁相环正交解调器，解调器振荡中 心频率由外接l c 振荡回路决定。m a x 2 4 5 1 的i 、q 两路输出经放大低通送至 判决电路，本地载波恢复采用基带数字处理跟踪环，由异或门逻辑鉴相提供信 号，采用比例积分滤波后送至压控振荡器。通过压控振荡器实时调节l c 振荡 频率，形成与发送载波同频同相，实现载波同步。 载波同步后的信号，经过施密特整形后，通过数字锁相法来产生整个系统 的时钟。这其中使用的高精度晶振用一片锁相环集成电路7 4 h c 4 0 4 6 来产生。 整形后的信号，经过串并转换，然后进行帧同步提取。帧同步提取使用了 一个八位全同比较器。八位全同比较器置数端预置数为设定的帧同步码，当码 流中出现帧同步头时，全同比较器输出一个同步脉冲。这个同步脉冲通过一个 d 触发器产生整个系统的控制信号。 在系统控制信号作用下，锁存器交替向两片r a m 存储，同时两片r a m 交 替向外读数。存储地址由两片7 4 l s l 6 1 产生，读数也采用这个地址发生器，但 我们只使用其中一路的地址。这时，在存贮时我们存贮的是六路信号，而读取 时只需一路，所以需用一读取控制电路来选择是读取哪一路。 当所需的信号被取出后，经过串并转换，然后进行解扰运算。解扰出的码 流就可送到d a 中进行转换。 d a 后的低通滤波器，出于成本考虑，我们自己设计一有源滤波器，采用 赛伦一凯型低通滤波器。同时为了降低系统噪声，我们设计了一降噪电路，取 得了良好的效果。 3 系统的组成 1 ) q a m 解调及载波同步 q a m 解调我们采用了m a x i m 公司的m a x 2 4 5 l 单片锁相环正交解调器， 它产生i 、q 两路信号，经过判决电路后，控制本振，来实现载波同步。这是解 调系统的核心部分，也是难点部分，我们在第四章将专门论述。 2 ) 整形及串并转换 整形采用一片7 4 l s l 3 2 ，由它进行施密特整形。串并转换使用7 4 l s l 6 4 ， 它是一种八位串入并出的移位寄存器。 1 2 第二章系统原理及组成结构 3 ) 同步提取 同步提取是整个系统的关键，我们在后面将进行详细的讨论，本章先给一 个简单的描述。 本系统中，我们通过一个八位全同比较器来提取帧同步，全同比较器采用 7 4 f 5 2 1 ，传输码流与比较器的预置数相比较。当检到帧同步头时，输出一控制 信号。帧同步原理框图如图2 3 2 所示。 位同步提取我们采用数字锁相法。我们用单稳从接收信号中提取准同步脉 冲序列c p 、，用它去控制振荡器输出的脉冲个数，从而使最后输出与接收信号 同步。这里，我们是用c p 、与最后输出进行比相后的输出，去控制一个扣门， 用这个扣门，来控制振荡器的输出。在位同步提取电路中，我们使用了一片双 单稳触发器7 4 l s l 2 3 ，两片集成锁相环7 4 h c 4 0 4 6 ，一片高速计数器，另外还有 双d 触发器、与非门、非门等集成电路。具体的原理框图见图4 - 4 8 所示。 图2 - 3 2 在位同步提取电路中，我们还用了一个高精度振荡源。它是用锁相环构成 的一个频率合成器。由于发送端给的码流速率为3 3 3 3 3 3 m ，所以我们采用 了1 0 m 三分频的方法，并且为了鉴相方便，必须使占空比为5 0 。具体的电路 原理图如图2 3 3 所示。 图2 3 3 4 ) 存取电路 我们采用7 4 l s 2 4 4 作为总线隔离器，使存储和读取时不至于产生总线冲突。 第二章系统原理及组成结构 由于读取时只有一路信号被取出，所以我们用了一片g a l 2 0 v 8 和一片编码器 图2 3 - 4 构成一个通道选择电路，接收外界指令。r a m 、7 4 l s 2 4 4 、通道选择电路和锁 存器的控制信号均不同程度地与帧同步信号有关。存取电路的原理框图如图2 3 - 4 所示。 5 ) 并串转换 并串转换由7 4 l s l 6 6 来完成。它是一个并入( 串入) 串出的八位移位寄存 器。 6 ) 解扰电路 传输码流中每一帧长度为2 0 0 ，但我们对帧同步头不进行扰码，因此，每 一帧实际长度为1 9 2 。于是，我们取生成多项式x 8 + x 3 + 1 ，产生2 5 6 个序列码， 在利用帧同步信号作为复位信号，来产生1 9 2 个伪随机码，进行解扰。扰码器 用一个“前馈”八位移位寄存器和异或门构成。解扰框图如图2 3 - 5 所示。 图2 - 3 5 7 ) d a 转换电路 d a 转换器我们采用m a x i m 公司的m a x 5 1 5 4 。它是一个双通道、1 2 位、 电压输出的d a 转换器。它是串行输入的，串行输入口有一个十六位的移位寄 第二章系统原理及组成结构 存器，在时钟作用下，一次输入十六位，其中有四位是通道控制位，具体格式 见图2 3 6 与表2 3 1 ，表2 3 1 仅列出了部分控制字。每个d a c 通道均有一对 寄存器，分别为d a c 寄存器和输入寄存器，他们在通道控制位的作用下，可以 i 乙二 。 一早r u u u u l 几= l - j y l 几1 几几v f m 二x 甄萤匝魉撕d 回口茎烈d e 压辽a 当c = 二 图3 3 6 独立刷新或同时刷新。m a x 5 1 5 4 内部框图如图2 - 3 8 所示，时序如图2 3 - 7 所 示。 h 一k 一_ 。叫： 。乒日 _ 一、h 、 二产一 ： 双函。c 函圆 图2 - 3 - 7 d a c 变换基准电压可用a c 或d c ，范围从0 v 到( v 。一1 4 v ) ，v d d 为电源 电压。单极性输出时输出电压大小可由下列等式求得： v o u t = ( v 肛f + n b 4 0 9 6 ) + 2 这里n b 是d a c 二进制码的值，v r e f 是电压基准值。 m a x 5 1 5 4 输出由单极性输出和双极性输出两种，我们采用的是单极性输 出。两种输出电路如图2 3 9 和图2 - 3 1 0 所示。 图2 3 - 8 d a c 工作时，瓦清零信号置高电平。一c s 为片选信号，当它是低电平时， 允许输入寄存器接收数据，当它变为高电平时，开始d a 转换，根据控制字的 第二章系统原理及组成结构 内容执行对寄存器的操作。己季信号由前面的通道选择电路提供。 十六位串行字 a 0c lc 0 d 1 1 d o s o功能 001 十二位d a c 数据 o 装i n p u t 寄存器a ，d a c 寄存器均不变 l01 十二位d a c 数据 0 装i n p u t 寄存器b ，d a c 寄存器均不变 ol0 十二位d a c 数据 0 装i n p u t 寄存器a ，d a c 寄存器均更新 110 十二位d a c 数据 0 装i n p u t 寄存器b ，d a c 寄存器均更新 o11 十二位d a c 数据 0 两个d a c 寄存器均装入新数据 100 任意数据 0 更新d a c 寄存器 表2 3 1 图2 - 3 9图2 - 3 - 1 0 8 ) 低通滤波 为了恢复原音频波形，d a 后的低通滤波器必不可少。从理论上说，d a 后的滤波器和a d 前的滤波器可用同一种滤波器，但由于接收系统要考虑成本 因素，所以综合成本和性能两方面考虑，我们决定设计一有源滤波器。经选择， 输 出 采用巴特沃茨低通滤波器，它具有体积小、价格便宜、稳定性好、调整方便和 不受外界磁场干扰等优点，能保证滤波后的音频信号质量。 我们对滤波器的性能指标设计如下： 6 第二章系统原理及组成结构 通带e 6 5 k h za = 1 0 d b 阻带 = 8 5 k h za = 2 5 d b 利用k = 3 1 q 的赛伦一凯型电路进行设计，归一化的传输函数为一个三阶 函数，可由一个一阶传输函数和一个二阶传输函数级联而成。对于一阶函数， 我们用一r c 电路实现，对于二阶函数，采用赛伦一凯型电路进行设计。两者 级联即可构成我们所需要的滤波电路，如图2 3 1 1 所示。若r c 电路和赛伦一 凯型电路之间用一个跟随器隔离，级联之后不破坏传输特性，效果将更好。 第三章同步原理及实现 第三章同步原理及实现 第一节引言 同步是数字通信中的一个重要的实际问题，它是数字通信设备的一个重要 组成部分。当采用相干解调时，需要在接收端提供一个与发送端同频同相的相 干载波，这个相干载波的产生就是所谓的载波同步问题。 数字通信中，除了载波同步的问题外，还有位同步问题。由于数字信号的 传输是将消息或数据变换为一串相继的码元序列来传送的，每一个码元通常占 有相同的持续时间。在接收数字信号时，需要知道接收到的每个码元的起止时 刻，并且按照相同的起止时刻来抽样判决才不会搞乱。因此，就要在接收端产 生码元定时脉冲序列。这个序列脉冲的重复频率和相位要与接收到的码元相一 致。这些码元定时脉冲称为码元同步脉冲或位同步脉冲。而把在接收端产生这 个定时脉冲序列称为码元同步或位同步。 此外，数字通信中的信息数字流常常是以“字”、“句”、“群”的方式传输 的。每一个“字”是由若干个码元组成，每一“句”又由若干“字”组成，而 每一“群”则包含若干“句”。在接收这些数字流时，同样也必须知道这些“字”、 “句”、“群”的起止时刻。为止，要在接收端产生与“字”、“句”、“群”起止 时刻相一致的定时脉冲序列，称为“字”同步、“句”同步和“群“同步，也称 “群”同步为“帧”同步。 上述各种同步，所要解决的问题是传输时间的标准问题，即将发送端的起 止时刻准确地传到接收端，使收发两端步调一致。这就是同步系统的任务。同 步信号是一种时间信号，它可以是专门传送的，这时称为外同步法；也可以从 所传输的有用的信息中提取，这时称为自同步法。不管是采取什方法获得同步 信息，对于正常的数字信号传输来说，只有在收发两端建立了同步，同时，还 必须维持同步以后才能进行正常的数字信号传输。否则，同步系统的性能的降 低或失效会直接导致通信系统性能的降低，甚至使通信系统不能正常工作。可 以说，同步是进行正常信息传输的前提。正因为如此，为了保证信息的可靠传 输，要求同步系统应有更高的可靠性( 高于数字传输的可靠性) 。 由于各类同步问题均应用到锁相技术，因此，在讨论同步问题之前，先对 锁相原理作简要的介绍。 第三章同步原理及实现 j g - - - 节锁相原理简介 锁相技术是随着无线电技术的发展而发展起来的一门技术。早在三十年代， 人们提出了同步检波的接收理论，它要求接收端产生一个与输入的微弱载波信 号频率相同、相位基本一致的本振信号，由于自动频率控制系统存在着固有频 率误差问题而不能达到要求，因此提出了相位锁定系统。因为相位是频率变化 对时间的积分，所以，相位的误差反映了频率的误差，可以通过控制相位来控 制频率。这就促进了锁相技术的发展。锁相技术是通过相位自动控制来实现理 想的频率自动控制的技术。锁相环的内容比较广泛，它的详细分析不属于本论 文的范围，故本章仅就与同步系统有关的问题，介绍锁相环的基本概念。 1 锁相环的组成及基本分析 锁相环的基本组成如图3 2 1 所示，它由鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l f ) 和压控 图3 - 2 - 1 - 振荡器( v c o ) 三部分组成的闭合系统。 鉴相器是相位比较装置，环路滤波器是低通滤波器，而压控振荡器是振荡 频率受外加电压控制的振荡器。锁相环的基本工作原理是：鉴相器比较输入信 号v ( t ) 的相位( 给定值) 与压控振荡器输出信号v 。( t ) 的相位，输出一个对应于两信 号相位差的误差电压v d ( t ) 。这个误差电压通过环路滤波器滤去高频分量后得到 控制电压v 。( t ) 去控制压控振荡器的振荡频率，直至调整到压控振荡器输出信号 的频率与输入信号的频率相等，而且两者的稳态相位差也很小，这时环路就进 入所谓的“锁定”状态。 下面对组成环路的三个基本部件的特性进行分析。 1 ) 鉴相器 鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号( t ) 与输出信号v o ( t ) 的相 位，输出一个度量两信号相位差的误差电压信号v 。( t ) 。 第三章同步原理及实现 鉴相器的具体电路有很多，有模拟电路，也有数字电路。输出特性有正弦 形、正切形及三角形等多种样式。作为原理分析，通常总使用正弦形特性，即 鉴相器输出电压v 。与相位差0 。之间的关系为： v d ( t ) 2 v d s i n0 。( t ) 式中v 。为鉴相器输出电压峰值。 原则上，任何一个理想的模拟相乘器都可以作为有正弦特性的鉴相器，如 图3 2 2 所示。 幽3 2 - 2 输入信号v i ( t ) 和压控振荡器输出信号v o ( t ) 分别加在相乘器的两个输入端上。 设输入信号为 v ( t ) = v 。s i n 【i t + 0 。( t ) 式中v ，为输入信号的振幅； u i 为输入信号的角频率； 0 ( t ) 为输入信号以其载波相位u ；t 为参考的瞬时相位。 压控振荡器的输出信号为 v o ( t ) = v 。c o s ( ) 。t + 0 。( t ) 式中v 。为压控振荡器输出信号的振幅； u 。为压控振荡器固有角频率； 0 。( t ) 为压控振荡器输出信号以其固有振荡相位。t 为参考的瞬时相位。 可以推导出，鉴相器输出信号为 v d ( t ) = v d s i n0 。( t ) 这里说明一点，在上面式中，我们将输入输出信号分别表示为正弦和余弦 形式，目的是得到正弦形鉴相特性。实际上，两者同时都用正弦或余弦表示也 可以，只不过得到的是余弦鉴相特性，而环路的稳定工作区域总是处于特性( 不 管是正弦或余弦特性) 的线性区域内，显然使用正弦特性比较习惯与方便。 图3 2 3 是正弦鉴相器的模型图。 图3 2 3 2 0 第三章同步原理及实现 2 ) 压控振荡器 压控振荡器是振荡频率u 。t 受控制电压v c ( t ) 控制的振荡器，即是一种电压 一频率变换器。不论以何种振荡电路和任何控制方式构成的振荡器，它的特性 总可以用瞬时频率u ，与控制电压v 。之间的关系曲线来表示。若取曲线线性段的 jk c l ) v ( ( i ) o )厂、 0 v 。 图3 - 2 - 4 中点为静态工作点，并以此作为坐标原点，所得曲线如图3 - 2 4 所示。图上中心 角频率是未加控制电压( v c - o ) 而仅有静态偏压时的振荡角频率u 。，称为固