模拟电话通信系统.doc

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计 论文 学院 系 电子与电气工程系 专 业 电子信息工程 学 生 胡 鹏 指导教师 曹 原 完成日期 2011 年 4 月 南阳理工学院本科毕业设计 论文 模拟电话通信系统的硬件设计 Hardware s Design of Communication Systems 总计 毕业设计 论文 页 表 格 0 个 插 图 10 幅 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计 论文 计 论文 模拟电话通信系统的硬件设计 Hardware design of Analog telephone communication system 学 院 系 电子与电气工程系 专 业 电子信息工程 学 生 姓 名 胡 鹏 学 号 094409042 指 导 教 师 职称 曹原 讲师 评 阅 教 师 完 成 日 期 2011 年 5 月 17 日 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 模拟电话通信系统的硬件设计 电子信息工程专业 胡 鹏 摘 要 随着现代通信技术的飞速发展与日益普及 程控交换是目前模拟电话通 信系统中的核心 本文介绍的模拟电话通信系统的硬件设计以amt89c51单片机为中心 控制交换芯片MT8816设计实现一种高性价比 实现一对一双工通信的程控交换设备 本文详细阐述了程控电路交换机在交换电话网中的作用 工作原理和系统的组成 结构 将程控交换机的硬件设计分为几个功能模块 并分别加以详细地介绍 该系统硬件包括了 以单片机为核心的信号检测 信号音控制电路 双音多频解 码电路 交换电路 两个用户接口电路等 关键词 AT89C51 程控交换 模拟 硬件 Hardware design of Analog telephone communication system Electronic and Information Engineering Hu Peng Abstract With the rapid development of modern communication technology and the increasing popularity of program controlled exchange is the core of the current field of communications Analog telephone communication system to amt89c51 microcontroller hardware design as the central control switch chip MT8816 Design and Implementation of a cost effective one duplex communication to achieve program controlled switching equipment This paper describes the program controlled circuit switched telephone network switches in the role working principle and system structure the program controlled switches the hardware design is divided into several functional modules respectively to introduce them in detail The system hardware includes a microcontroller as the core of the signal detection signal tone control circuit DTMF decoder circuit switching circuit two user interface circuit Key words AT89C51 Program controlled exchange Simulation hardware 目 录 1 概述 1 1 1 通信系统的一般模型 1 1 2 模拟通信系统 1 2 模拟电话通信系统硬件组成 2 2 1 系统的框架组成 2 2 2 信号检测 信号音控制电路 2 2 3 信号音电路 3 2 3 1 拨号音产生电路 4 2 3 2 铃流发生器电路 5 2 3 3 信号音控制电路 6 2 4 双音多频解调电路 6 2 4 1 双音多频拨号方式介绍 7 2 4 2 DTMF 接收电路 7 2 5 交换网络电路 8 2 5 1 MT8816 的工作原理 8 2 5 2 MT8816 的接口电路 9 2 6 用户接口电路 11 结束语 13 参考文献 13 附录 14 致谢 14 1 概述 1 1 通信系统的一般模型 实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统 以基本的点对点通信为例 通信系统的组成 通常也称为一般模型 如图 1 所示 信源发送设备信道接受设备信宿 噪声源 图 1 图 1 中 信源 信息源 也称发终端 的作用是把待传输的消息转换成原始电信号 如电话系 统中电话机可看成是信源 信源输出的信号称为基带信号 所谓基带信号是指没有经过调制 进行 频谱搬移和变换 的原始电信号 其特点是信号频谱从零频附近开始 具有低通形式 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来 即将信源产生的原始电信号 基带信号 变 换成适合在信道中传输的信号 变换方式是多种多样的 在需要频谱搬移的场合 调制是最常见的 变换方式 信道是指信号传输的通道 可以是有线的 也可以是无线的 甚至还可以包含某些设备 图中的 噪声源 是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合 在接收端 接收设备的功能与发送设备相反 即进行解调 译码 解码等 它的任务是从带有干 扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来 信宿 也称受信者或收终端 是将复原的原始电信号转换成相应的消息 如电话机将对方传来的 电信号还原成了声音 图 1 给出的是通信系统的一般模型 按照信道中所传信号的形式不同 可进一步具体化为模拟通 信系统和数字通信系统 1 2 模拟通信系统 我们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统 模拟通信系统的组成可由一般通信系统 模型略加改变而成 如图 2 所示 这里 一般通信系统模型中的发送设备和接收设备分别为调制器 解调器所代替 对于模拟通信系统 它主要包含两种重要变换 一是把连续消息变换成电信号 发端信息源完成 和把电信号恢复成最初的连续消息 收端信宿完成 由信源输出的电信号 基带信号 由于它具 有频率较低的频谱分量 一般不能直接作为传输信号而送到信道中去 因此 模拟通信系统里常有 第二种变换 即将基带信号转换成其适合信道传输的信号 这一变换由调制器完成 在收端同样需 经相反的变换 它由解调器完成 经过调制后的信号通常称为已调信号 已调信号有三个基本特性 一是携带有消息 二是适合在信道中传输 三是频谱具有带通形式 且中心频率远离零频 因而已 调信号又常称为频带信号 信源调制器信道解调器信宿 噪声源 图 2 必须指出 从消息的发送到消息的恢复 事实上并非仅有以上两种变换 通常在一个通信系统 里可能还有滤波 放大 天线辐射与接收 控制等过程 对信号传输而言 由于上面两种变换对信 号形式的变化起着决定性作用 它们是通信过程中的重要方面 而其它过程对信号变化来说 没有 发生质的作用 只不过是对信号进行了放大和改善信号特性等 2 模拟电话通信系统硬件组成 2 1 系统的框架组成 模拟电话通信系统包括交换机的所有基本组成部分 信号检测 信号音控制系统 接口和交换网络 能够完成交换机处理各类呼叫的基本操作 图 3 是在整个模拟电话通信的硬件结构框图 铃流及信号音电路 用户线接口 1 用户线接口 2 PCM 编 解 码 交 换 网 络 单 片 机 DIMF 解码编码时钟电路 图 3 控制系统的 CPU 采用单片机 89C51 接收器接收 DTMF 信号 经过译码后得到电话 号码 检测电路检测电话的摘 挂机状态 键盘输入进行功能设定 LED 显示电话号码 和通话时间 接口部分由两个用户接口组成 接口电路将电话话音模拟信号编码为 PCM 数字信号 进入交换网络 交换网络采用一个 8 16 的接线器 信号音电路产生拨号音 忙音 催挂音 回铃音以及振铃音等 2 2 信号检测 信号音控制电路 信号检测电路用来检测用户的状态并接收用户拨打的电话号码并根据用户状态启 动相应的信号音控制信号 以 2 个通话用户为例 采用 AT89C51 的 P1 口与用户接 口 电路相连 用以检测是否有用户呼叫并控制 DTMF 解码电路 P1 0 P1 1 用于接收 主 被叫方的摘挂机信号 用户摘机则话机经 P1 0 P1 1 向 AT89C51 发出一高电平信 号 此时表示有用户呼叫 P1 3 P1 4 通过模拟开关 CD4066 控制主 被叫双方的 DTMF 解码电路 高电平有效 采用 8255 的 PC 口接收话机经用户接口发送来的电话号 码 单片机中断时从 PC 口读人数据 信号音控制电路采用 8255 芯片的 PA PB 口进行控制 PA0 PA1 作为铃流控制输出 信号 PA4 PA5 用作回铃音控制信号 PB0 PB1 为忙控制信号 PB4 PB5 为拨号音控 制信号 各控制信号均为高电平有效 因此 1 片 8255 可同时对 2 对用户的信号音进 行控制 单片机根据检测到的用户状态产生相应信号音的控制信号 以便向用户端发 送信号音 信号检测 信号音控制电路如图 4 所示 图 4 2 3 信号音电路 图 5 是整个系统在工作过程中的信号流程图 可见在用户话机与交换机之间的线 路上 要沿两个方向传递话音信号 同时为了接通一个电话 除了上述情况之外 还 必须一套信令系统 来指导呼叫过程的进行 交换机向电话机发送的信令有 1 拨号音 持续的 450Hz 正弦波 2 忙音 450Hz 正弦波 每导通 0 35s 后间断 0 35s 3 回铃音 450Hz 正弦波 每导通 1s 后间断 4s 4 振铃 25Hz 正弦波 每导通 1s 后间断 4s 用户线用户线 主叫用户被叫用户 呼叫信号 拨号音信号 号码信号 回铃音信号 话音信号 忙音信号 挂机信号 振铃信号 应答信号 通话建立 摘机 摘机 先挂机 图 5 2 3 1 拨号音产生电路 主叫用户摘机 CPU 检测到该用户有摘机状态后 立即送出的音信号 表示可以 拨号 在 CPU 中央处理器收到第一个拨号音后 应立即切断该信号 在本系统中拨号 音采用 450Hz 2V 的正弦波 图 6 和图 7 分别是生成该信号的原理框图和原理图 555 定时震荡电路滤波电路 450Hz 方波 450Hz 方波 图 6 图 7 555 定时振荡电路的输出频率 f 1 49 Ra 2Rb C63 2 3 2 铃流发生器电路 本系统的振铃信号即铃流为 25Hz 75V 的交流信号 铃流发生电路如图 8 1 2 3 4 5 6 7 8 KA2301 150K R1 100K R2 100K R3 2 2u C1 22u C3 6800pF C2 T1 Trans LS Bell GND 14v 图 8 2 3 3 信号音控制电路 忙音和回铃音只要对 450Hz 的拨号音进行适当的控制 使其按要求进行适当的通 断 图 9 中的方波 1 和方波 2 来自控制系统 图 10 为电子开关原理图 U T U T 方波 1 方波 2 0 35s0 35s 1s4s 图 9 通断 控制方波 1 拨号音忙音 通断 控制方波 2 拨号音回铃音 图 10 2 4 双音多频解调电路 2 4 1 双音多频拨号方式介绍 在电话拨号中有两种拨号方式 即脉冲拨号和双音多频 DTMF 拨号 双音多频 拨号方式是指用两个特定的单音频信号的组合来代表数字或功能 两个单音频的频率 不同 所代表的数字和功能不同 在双音多频电话中有 16 个按键 其中有十个数字 键 0 9 6 个功能键 A B C D 按照组合的原理 它必须有 8 种不同的单音 频信号 将这 8 种不同频率的信号分为高频群和低频群两组 再从两组中各任取一个 进行组合 就得到 16 种不同的组合 代表了 16 种不同的数字或功能 由于脉冲拨号方式是按一定的断续比和速率来断续电话线环路而发出脉冲的 它与 拨号脉冲相比有如下缺点 1 拨号速度慢 2 脉冲信号在线路的传输中容易产生波形畸变 可能产生错号 3 脉冲信号的幅度较容易产生线间干扰 基于以上原因 本系统中采用现在电话中常用的 DTMF 拨号发送器 2 4 2 DTMF 接收电路 图 11 是 DTMF 接收电路的内部工作原理图 DTMF 接收器先经高 低 群带通滤波器进行 fL fH 区分 然后过零检测 比较 得到相应于 DTMF 的 两路 FL FH 信号输出 该两路信号经译码 锁存 缓冲 恢复成对应于 16 种信号音对的 4bit 二进制码 高阻带通 滤波器 低阻带通 滤波器 过零 检测器 过零 检测器 码变换器 锁存与缓冲 输入 电路 图 11 本系统中 DTMF 接收器采用的是 MT8870 芯片 MT8870 是双列直插 DTMF 解码专用 电路 双音多频解调电路如图 12 所示 图 12 AT89C51 的 P1 3 P1 4 接模拟开关 CD4066 的 13 12 脚来控制 MT8870 的解码 高电平时允许解码电路工作 2 个用户的双音多频信号分别由 CD4066 的 1 11 脚输入 经过 MT8870 内部的前置放大器送入高低频组带通滤波器 再经幅度检测器进入译码电 路 最后从输出端输出相应的编码 采用 CD4066 还可以起到隔离话音信号与 DTMF 信 号的作用 以免对解码造成干扰 MT8870 的 STD 接 AT89C51 的 INT0 当 STD 电平由低 变高时引起单片机中断读取电话号码 2 5 交换网络电路 一个程控交换机之所以能够实现交换功能 其根本原因就在于有一个交换网络 这是任何交换机都必须有的部分 不同的交换机采用的交换网络不同 但是其根本原 理都是一致的 当前的空分交换机采用的交换网络是电子接线器 我们选择 CMOS 大规 模集成芯片 MT8816 2 5 1 MT8816 的工作原理 MT8816 为 8 16 的模拟交换矩阵内含 7 128 线地址译码器 控制锁存器和 8 16 交叉点开关阵列 它可以通过数据控制信号和地址线接通或断开任意一个交叉 点 同时芯片具有保持功能 直到新的数据信号改变交叉点的开关状态 7 128 地 址 译 码 器 7 128 地 址 译 码 器 8 16交叉点开关阵列 ST CS DIREST COL0 COL7 1 128 1 128 ROW0 ROW15 七位地址码 图 13 图 13 是 MT8816 的内部工作原理 左面部分为控制部分 由一个 7 128 的地址 译码器进行 7 128 线转换 8 16 个触发器组成一个控制锁存器 每一个触发器控制 一个相应交叉点的电子接点 右面为 8 16 的模拟交换矩阵 它是由 8 16 128 个 电子接点组成 任何一个电子接点闭合就可以接通相应的 COL 和 ROW 在电路处于正常的开 关工作状态下 CS 应为高电平 RESET 为低电平 电子交 叉点的开关状态保持为原状态 当 CS 为低电平时 地址码数据 DI 在 ST 下降沿时 刻被异步写入锁存单元 并控制所选择交叉点的通断 若 DI 为高电平 则相应开关 导通 若 DI 为低电平 则开关截止 在 ST 变为高电平以后 锁存器保持原状态 交叉点的通断也不会发生变化 2 5 2 MT8816 的接口电路 如图 14 是交换矩阵的接线图 AX0 AX3 是列地址输入 AY0 AY2 为行地址输入 SI 和 DI 分别为控制信号和数据信号 它们来自控制系统 1VT 4VT 分别为四个用户接口的去话 1VR 4VR 为四个用户接口的来话 ZT1 和 ZT2 为两个中继接口的去话 ZR1 和 ZR2 为两个中继接口的来话 1TXP 和 3TXP 分别为用户接口 1 和用户接口 3 的去话的 PCM 码 而 1RXP 和 3RXP 分别为用户接口 1 和用户接口 3 的来话的 PCM 码 SP 和 SP 为语音提示音 当两个电话正常通话时 要将两个电话的来话和去话交叉连接 例如 电话用户 1 和电话用户 2 通话 要将电话用户 1 的来话接到电话用户 2 的去话 而电话用户 2 的来话则连接到电话用户 1 的去话 当进行 PCM 编码通话时 也是如此 当需要进行语音提示的时候 只要将 SP 接入中继接口的来话端即可 AROW0 AROW1 AROW2 AROW3 COL0COL1COL2COL3COL4COL5COL6COL7 ROW0 ROW1 数 据 传 输 门 地址译码和锁存 DIACOL0ACOL1ACOL2ST 图 14 电子接线器是空分交换网络的核心部件 我们采用 MT8816 来完成通话双方线路的 接续 MT8816 芯片是 8 16 的模拟开关阵列 8 路列输人 输出 Y0 Y7 和 16 路行输入 输出 X0 X15 形成模拟交换矩阵 芯片有保持电路 可保持任一交叉点处于接通状 态 直至接收到复原信号为止 其引脚如图 15 所示 图 15 AT89C51 的 P0 口通过列地址线 AY0 AY2 和行地址线 AX0 AX3 控制列线与行线选择 需要接通的交叉点 例如 要接通 Y0 和 X1 间的交叉点需向 AY0 AY2 送 000 向 AX0 AX3 送 1000 DATA 为交叉点开关控制位 高电平时交叉点开关连通相反则断开 RST 为复位信号输人 高电平时全部开关均置于截止状态 STB 为选通脉冲输人 AT89C51 送人列 行地址码后还必须给 STB 端送一脉冲信号同时 DATA 置高电平 才能 使 MT8816 完成接续工作 MT8816 拆线复原的过程与接续过程类似 此时只需将 DATA 置低电平即可 交换网络向用户客户端发送的各种信号音的接通和切断可通过相应的信号音控制 信号 8255 的 PA PB 口 选通 CD4066 来实现 如图 16 所示 RC 13 PD 7 RF 11 VR 3 VREF 4 TIP 9 RING 10 RD 14 VX 8 SHK 20 CAP 19 RV 15 CD 17 TF 1 C7 MH88612 FSR 7 BCLKX 12 MCLKX 11 BCLKR CLKSEL 9 MCLKR PDN 10 DR 8 FSX 14 VFX1 19 VFX1 18 VPI 4 ANLB 16 VFRO 5 VPO 1 VPO 3 DX 13 TSC 15 GSX 17 VSS 20 GNDA 2 VCC 2 C9 TP3067 1uF 2 3 1 K1 RING GND TEL2 TEL1 与与与1 k GND 8khz与与1 2 04MHz与与1 GND 0 1uF0 1uF GND 5v 5v 与与1 与与与与 与与与与与与与与与与与与与与与与与与与与与与 RC 13 PD 7 RF 11 VR 3 VREF 4 TIP 9 RING 10 RD 14 VX 8 SHK 20 CAP 19 RV 15 CD 17 TF 1 C8 MH88612 FSR 7 BCLKX 12 MCLKX 11 BCLKR CLKSEL 9 MCLKR PDN 10 DR 8 FSX 14 VFX1 19 VFX1 18 VPI 4 ANLB 16 VFRO 5 VPO 1 VPO 3 DX 13 TSC 15 GSX 17 VSS 20 GNDA 2 VCC 2 C10 TP3067 1uF 2 3 1 K2 RING GND TEL2 TEL1 与与与2 k GND 8khz与与2 2 04MHz与与2 GND 0 1uF0 1uF GND 5v 5v 与与2 与与与与 与与与与与与与与与与与与与与与与与与与与与与 RST 3 STB 18 DATA 38 CS 36 AX0 5 AX1 22 AX2 23 AX3 4 AY0 24 AY1 25 AY2 2 NC 14 NC 34 X10 12 X11 13 X12 27 X13 26 X14 6 X15 7 Y0 35 Y1 37 Y2 39 Y3 1 Y4 21 Y5 19 Y6 17 Y7 15 X0 33 X1 32 X2 31 X3 30 X4 29 X5 28 X6 8 X7 9 X8 10 X9 11 VSS 16 C6 MT8816 GND 与与与与 图 16 2 6 用户接口电路 用户接口电路是由用户线接口芯片 MH88612 和 PCM 编解码芯片 TP3067 组成 两 者共同完成 BORSCHT 七项功能 图 17 是用户接口电路的原理图 振铃控制信号选择是向用户线馈电 48v 还是 加载铃流 25Hz 75V 用户线状态向控制系统送出电话的摘 挂机状态 过压 保护 电路 振铃 继电 器 馈电 电路 混合 电路 电 话 机 铃流发生器馈电电源 编 码 器 译 码 器 振铃控 制信号 用户线状 态信号 发送码流 接收码流 图 17 用户线接口检测到用户 1 摘机后 MH88612 的 SHK 引脚输出一高电平至 P1 0 AT89C51 将 8255 的 PB4 端置高电平控制交换网络向用户 1 送拨号音 单片机收 到正确号码后控制系统发出振铃控制信号即将 8255 的 PA1 置高电平并由 MH88612 的 RC 脚输入 驱动继电器 K 闭合向用户线接口 2 送振铃 同时将 PA4 置高电平控制交换网 络向用户 1 送回铃音 当用户 2 摘机时 其接口电路的脚输入一高电平至 P1 1 单片 机控制 MT8816 接续通话线路 当任一方挂机时其相应的 SHK 输出一低电平控制系统向 另一方送催挂音 线路连接成功后 话音信号经 MH88612 的 VX 输出送人 TP3067 中进行编码 PCM 编 码器的抽样频