武汉理工大学PCM通信系统课程设计

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目： PCM通信系统设计初始条件：具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、PCM码速率128KB，两路时分复用，通信双方有线连接，语音信号无明显失真，采用A律压缩13折线芯片； 2、系统时钟信号频率2.048MHZ，时隙同步信号频率为8KHZ；3、选用相应合适的芯片，设计确定电路形式，对单元电路和整体系统进行计算、仿真

2、验证。4、安装和调试整个电路，并测试出结果；5、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。时间安排： 二十二周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日1目录摘 要I1 PCM基本原理11.1 PCM的基本概念11.2 PCM原理框图11.3 PCM量化21.4 PCM编码32 PCM通信系统的仿真设计52.1 PCM通信系统设计原理52.2 模块电路设计52.2.1 信源电路52.2.3 时分复用模块72.2.4 位同步信号及帧同步信号82.2.5 解时分复用模块92.2.6 PCM译码模块112.4 仿真波形图123 实物制作及

3、调试143.1 实物制作原理143.1.1 PCM编译码电路143.1.2 语音前置放大及功放电路153.2 实物图及实物调试结果164 心得体会19参考文献20武汉理工大学通信原理课程设计说明书摘 要随着现代通信技术的发展，语音信号的数字化处理在现代通信技术中得应用越来越广泛，本文简单的介绍了使用时分复用和PCM的A律编码调制的方法传输2路话音信号的过程。SystemView 仿真软件可以实现多层次的通信系统仿真。脉冲编码调制（PCM）是现代语音通信中数字化的重要编码方式。利用SystemView 实现脉冲编码调制(PCM)仿真，可以为硬件电路实现提供理论依据。本次课程设

4、计将通过仿真展示PCM编码实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。最后介绍简单PCM通信系统的制作。关键词：PCM、A律13折线、时分复用、SystemView仿真1 PCM基本原理1.1 PCM的基本概念PCM调制就是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号后在信道中传输。脉码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化、编码的过程。抽样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。 量化是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最

5、接近的电平值来表示。一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。编码是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。由此可见，数字程控调度机脉冲编码调制方式就是一种传递模拟信号的数字通信方式。1.2 PCM原理框图PCM在通信系统中完成将语音信号数字化功能，它的实现主要包括三个步骤完成：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，

6、由于A律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码,采用非均匀量化PCM编码。PCM的编码原理比较直观和简单，如图1.1所示为PCM系统的原理框图：抽样量化编码信道干扰m(t)ms(t)msq(t)译码低通滤波msq(t)m(t)图1.1 PCM系统的原理框图从上图可以看出，输入的模拟信号m(t)经抽样、量化、编码后变成了数字信号(PCM信号)，经信道传输到达接收端，由译码器恢复出抽样值序列，再由低通滤波器滤出模拟基带信号m(t)。通常，将量化与编码的组合称为模/数变换器（A/D变换器)；而译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A变换器)。前者完成由模拟信号到数字信号的变换，后者则相反，即完成

7、数字信号到模拟信号的变换。1.3 PCM量化量化是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。一个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达到给定的要求。可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服均匀量化的缺点，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；对于信号取值大的区间，其量化间隔也大。它的优点

8、是：第一，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度时，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；第二，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。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：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（

9、A=87.6）的压路实现，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。如图1.2所示为13折线法的特性图。未压缩（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8） 0 图1.2 13折线法的特性图1.4 PCM编码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。编码与译码需要用到编码器和译码器。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。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

10、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1.1所示。表1.1 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段落序号段落码量化级段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160

11、110301050101401002001300112001010001000100000PCM编译码器的实现可以借鉴单片PCM编码器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。单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PCM编译码器分为编码器和译码器模块分别实现。2 PCM通信系统的仿真设计2.1 PCM通信系统设计原理本设计采用的设计思路是：两路信号分别经过各自进行PCM编码（抽样、量化、编码），由于PCM编码输出是并行信号，所以必须经过并串转换变成串行信号然后通过复用，经过调制，进入加有高斯噪声的通道，通过解调、分路，由于分路出的信号是串行的，D/A输入是并

12、行数据，所以必须通过串并变换电路，然后译码、D/A之后经过低通滤波器后，输出原始各自的信号。设计原理图如下图2.1所示：模拟信源1 抽样调制复用 量化并/串转换 编码模拟信源2 抽样并/串转换 量化 编码噪声信道 模拟输出1 低通分路解码D/A串/并转换解调模拟输出2 低通D/A解码串/并转换 2.1 PCM通信系统的原理模型2.2 模块电路设计2.2.1 信源电路本设计采用的是两路信号的时分复用系统。信号源为两路信号，第一路是由两个正弦信号经过叠加形成的信号1，第二路是一个正弦信号，即信号2。两路语音信号分别经过截止频率均为3KHz的巴特沃斯低通滤波器后，通过延时得到编码模块的输入信号。系统

13、模型如图2.2所示。图2.2 语音信号发生器PCM的信号源模块组件功能实现:信号发生器：产生稳定的信号输入。低通滤波器：为实现信号的语音特性，考虑到滤波器在通带和阻带之间的过渡，采用低通滤波器，而没有设计带通滤波器。采用巴特沃斯低通滤波器，因其具有通带内最大平坦的振幅特性，且随频率的增加单调减少。延时器：信号源发生器在刚开始产生波形时，有一个过渡的过程。加入其使稳定的波形输入PCM编码模块。2.2.2 PCM编码模块PCM编码模块主要完成对信号的压缩、量化及输出等的功能，主要由信号源（图符277）、A律压缩器（图符275）、A/D转换器（图符273）、并/串转换器（图符255）组成，系统模型如

14、图2.3所示。图2.3 PCM编码模块经过低通滤波器完成信号频带过滤的信源信号通过 PCM 编码器，由于PCM量化采用非均匀量化，所以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）完成抽样、量化及编码，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（268）输出PCM编码信号。由于在本次设计中需要同时传输两路语音信号，所以用到两个PCM编码模块，其结构是完全相同的。2.2.3 时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、24

15、8、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2.4所示。图2.4 时分复用模块从PCM编码系统输出的两路PCM信号需要复合才能实现两路信号的同时传输，此外还要在两路PCM信号前加入帧同步信号，帧同步信号由图符250产生，同步码为1110010，这三路数字信号分别经过八位数据选择器（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8位数据选择器（图符260）中，由3路数据选择器波形控制（图符261、图符262、图符263、图符264）把这三个数字信号放在一个

16、PCM合路信号的不同时隙上以实现信号的时分复用传输。3路数据选择器波形控制是用两个D触发器组成的，参数使用默认值。图符251、图符257、图符258、图符265，为自定义函数信号发生器，在此的作用均为为8路数据选择器和D触发器输入的使能信号。分频器后面有的加有一个非门，这是根据具体电路特点而加上的，使得八选一电路会按由低到高的顺序在输入端的数据输出，即时分复用信号。2.2.4 位同步信号及帧同步信号在接收端，为了能使接收到的信号能够准确的提取和还原，需要提取接收信号的同步信号，同步信号包括位同步信号和帧同步信号，而且位同步信号是帧同步信号的前提。位同步信号和帧同步信号的系统模型如图2.5和图2

17、.6所示。图2.5 位同步系统图2.6 帧同步系统2.2.5 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接收端提取时分复用信号中两路PCM信号的提取信号。在本次设计中用到的解时分复用模块如图2.7所示，其中，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D触发器。图2.7 解时分复用模块系统图由位同步系统和帧同步系统提取的位同步信号和帧同步信号分别经过延时器，对同步信号做进行延时处理，延时后的帧同步信号和位同步信号经过D触发器，将其相位调整到一致的状态，即同相，以便后续对两路PCM信号的提取。经同

18、相处理后的帧同步信号经过单稳态多谐振荡器将帧同步的一个码元宽度扩展为八个码元宽度，再将其和位同步信号相与，得到第一路时隙信号（由图符94输出），在第一路时隙信号和经8位移位寄存器（图符106）输出的移位后的帧同步信号的作用下，从复接后的PCM信号中分接出第一路语音信号；对于第二路时隙信号的提取，首先要将帧同步信号移位16个码元周期，再经过与第一路同步信号同样的操作，才得到第二路时隙信号（由图符131输出），在第二路时隙信号和经8位移位寄存器（图符108）输出的移位后的帧同步信号的作用下，从复接后的PCM信号中分接出第二路语音信号。至此两路PCM信号全部成功提取。2.2.6 PCM译码模块PCM

19、译码模块的过程与编码模块的过程正好相反，在此将不再赘述，仅给出系统图，如图2.8所示。图2.8 PCM译码系统2.3 系统总电路图综合上述各个模块，得到两路PCM时分复用的系统图如图2.9所示。图2.9 两路PCM时分复用的系统图2.4 仿真波形图第一路语音信号：第一路还原信号：第一路PCM信号：第二路语音信号：第二路还原信号：第二路PCM信号：3 实物制作及调试3.1 实物制作原理3.1.1 PCM编译码电路由于时间有限加上元件很难买到，本次我们实物制作时只做了一路PCM系统。主要包括定时电路、编译码电路、语音前置放大及功率放大。定时电路及编译码电路原理图如图3.1所示。图3.1 PCM编码

20、调制电路原理图PCM电路中的编译码器IC7（TP3067）所需的主时钟脉冲2.048MHz和帧定时信号脉冲8KHz，均由定时部分提供。定时电路由时钟振荡器、整形、分频、计数和分配器等电路组成。 时钟晶体振荡器 由电原理图可知，时钟晶体振荡器由4096KHZ晶体和IC1（74LS04）六非门中的IC1B、IC1A构成环形振荡器。振荡器的输出频率为4096KHZ。 整形电路 整形电路由IC1（74LS04）中的IC1C构成，时钟晶体振荡器输出的4096KHZ的信号，经IC1C放大、限幅后输出规则的方波信号。 分频器分频器由IC2（74LS74）双D触发器，IC3 、IC5（74LS161）二级4位

21、二进制计数器、IC4（74LS20四输入与非门）、和IC6（74LS138）三八译码/分配器构成。由时钟晶体振荡器输出并经整形后的4096KHZ定时脉冲源，首先经IC2A双D触发器进行二分频，输出2048KHZ的位定时脉冲信号。分两路输出：1 送到PCM编/解码集成电路IC7（TP3067）的（9、10与11、12脚）作位定时钟脉冲。2送到IC3、（74LS161）4位二进制计数器的（2脚）。作计数器的时钟脉冲。2048KHZ的定时脉冲首先经IC3（74LS161）计数，相当于分频，经由内部电路处理后，分别由Q0、Q1、Q2和Q3输出128KHZ的脉冲。分别送到IC4、IC5和IC6，最后，再

22、经由IC1（74LS04）六非门中的IC1D、IC1E整形后输出两路频率为8KHZ的脉冲信号（本机仅用两路），即帧同步定时脉冲。其中，一路直接加到IC7（TP3067）的14脚，作发送部分的帧同步定时脉冲；另一路则加到IC7（TP3067）的7脚作接收部分的帧同步定时脉冲。为了简化设计，本次设计的编译码部分公用一个定时源，以确保发收时隙的同步。在实际的PCM数字电话设备中，必须有一个同步系统来保证发收同步的。3.1.2 语音前置放大及功放电路 本次设计采用集成运放LM324来做前置放大，采用LM386来做功放。其电路较为简单，在此不予详述。具体电路原理图如图3.2和3.3所示。 图3.2 前置

23、放大电路图3.3 功放电路3.2 实物图及实物调试结果在各组员的团结协作下，我们终于做成了实物。实物图如图3.4所示。图3.4 实物图经过调试，从编码输入端加一个正弦信号，在译码输出端能够收到相应的信号，无明显失真。功放电路也能正常工作。但语音前置放大部分没有正常工作，估计是麦克风输入端连接有点小问题。总的来说，这次实物制作还是比较成功的。实物检测图如图3.5和3.6所示。图3.5 编码输入图3.6 译码输出4 心得体会本次通信原理课程设计让我对通信原理等科目和原理知识有了更深入的了解，与此同时，我也真切的发现，仅仅懂得一堆理论，只会纸上谈兵是相当不够的，我还需要多多的进行实物的的制作或者是通过仿真软件进行独立的设计与仿真，才能发现很多平