△M通信系统设计--究极版.doc

武汉理工大学通信原理课程设计说明书目 录摘要. I1 概述21.1 设计目的21.2 原理说明21.3 完成设计的方法和步骤21.3.1 课程设计内容21.3.2 方案论证31.3.3 设计步骤42 总体设计62.1 单元电路设计62.1.1抽样脉冲发生器与抽样判决电路设计62.1.2 加法器电路设计62.1.3 译码器电路设计72.1.4 低通滤波器电路设计82.1.5总电路图83 软件仿真104 硬件电路装配与调试145 心得体会15参考文献161 概述1.1 设计目的1）加深理解增量调制的基本原理。2）加深理解连续可变斜率增量调制系统的电路组成与基本工作原理。3）了解不同速率的编码时的输出波形。 4）了解系统的过载持性、动态范围以及最大量化信噪比等三大指标的测试方法。1.2 原理说明 增量调制是由PCM发展而来的模拟信号数字化的另一种编码方式，增量调制编码基本原理是只用一位编码，这一位码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量特性，即采用一位二进制数码“1”或“0”来表示信号在抽样时刻的值相对于前一个抽样时刻的值是增大还是减小，增大则输出“1”码，减小则输出“0”码。输出的“1”、“0”只是表示信号相对于前一个时刻的增减，不表示信号的绝对值。增量调制又可以分为基本增量调制、连续可变斜率增量调制、总和增量调制。其原理见下图1-1：抽样、编码斜率检测+话音输入音节平滑积分器斜率检测音节平滑低通滤波积分器话音输出图1-1 增量调制系统框1.3 完成设计的方法和步骤1.3.1 课程设计内容1）M码速率128KB，有线通信，语音信号无明显失真；2） 对系统各个组成部分与模块进行设计，包括M编译码电路，同步脉冲序列，低通滤波器等；3） 对M斜线、临界过载等进行误差分析，设计相应电路以检测上述现象；4） 进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。1.3.2 方案论证 增量调制系统分编码器电路和译码器电路。增量（M）调制是将模拟信号变换成仅由一位二进制码组成的数字信号序列，并且在接收端也只需用一个线性网络即可复制出原模拟信号。增量调制的编码器和解码器的结构框图如下图所示：图1-2 M调制编码器框图 图1-3 M调制解码器框图编码的基本思想是：假设一个模拟信号x(t) (为作图方便起见，令x(t) 0)，可以用一时间间隔为t，幅度差为±的阶梯波形x(t)去逼近它，如图下图所示。只要t足够小，即抽样频率fs=1/t足够高，且足够小，则x(t)可以相当近似于x(t)。在这里把称作量化阶，t=Ts称为抽样间隔。 x(T)逼近x(t)的物理过程是这样的：在ti时刻用x(ti)与x(ti)比较，倘若x(ti)x(ti)，就让x(ti)上升一个量阶段，同时M调制器输出二进制“1”；反之就让x(ti)下降一个量阶段，同时M调制器输出二进制“0”。根据这样的编码思路，结合图示的波形，就可以得到一个二进制代码序列010101111110。除了用阶梯波x(t)去近似x(t)以外，也可以用锯齿波x0(t)去近似x(t)。而锯齿波x0(t)也只有斜率为正(/t)和斜率为负(-/t)两种情况，因此也可以用“1”码表示正斜率和“0”码表示负斜率，以获得一个二进制代码序列。 图1-4 增量调制编码波形示意图 译码的基本思想是：一种是收到“1”码上升一个量化阶(跳变)，收到“0”码下降一个量化阶(跳变)，这样就可以把二进制代码经过译码变成x(t)这样的阶梯波。另一种是收到“1”码后产生一个正斜变电压，在t时间内上升一个量化阶，收到一个“0”码产生一个负的斜变电压，在t时间内均匀下降一个量化阶。这样，二进制码经过译码后变为如x0(t)这样的锯齿波。考虑电路上实现的简易程度，一般都采用后一种方法。这种方法可用一个简单RC积分电路把二进制码变为x0(t)波形，如图1-5所示。图中假设二进制双极性代码为1010111时x0(t)与p(t)的波形。 图1-5 增量调制解码示意图1.3.3 设计步骤 1、查阅相关资料，学习增量调制的基本原理，理解增量调制的编码和解码思想； 2、完成编码器和解码器的电路的设计，包括总体设计、选用芯片，外围电路的构建以及各电路参数的确定； 3、对设计出的电路在相关软件中进行仿真，查看波形，仿真通过后再准备进行实物焊接； 4、根据规划的电路图焊接实物，焊接完成后用相关仪器进行检测，并进行调试，直至达到所需要求。2 总体设计2.1 单元电路设计2.1.1抽样脉冲发生器与抽样判决电路设计图2.1 抽样脉冲发生器与抽样判决电路图上述电路的功能是实现对输入信号的分频，产生抽样脉冲，由于输入信号是256KHz的信号，按题目要求需对输入信号进行二分频从而得到128KHz的信号。其中D触发器即是二分频器，由非门和与门构成单稳态电路，从而输出128KHZ的窄脉冲作为抽样脉冲。抽样判决器电路由外部的D触发器构成，在CP的前沿到来时刻，若e(t)0，则p(t)为“1”码，若e(t)< 0，则p(t)为“0”码。2.1.2 加法器电路设计图2.2 加法器相加器由Q1和Q2组成，音频信号f(t)和本地译码器送来的比较信号各通过一个1K电阻加到BG1共基放大器的射极进行电流相加。由于比较信号和音频信号反相，是将两信号相减进行比较。采用共基接法是因为电流比较器的动态范围大，输入阻抗低，可以减少两输入信号之间的干扰，从而使得频率特性好。而射极输出器采用共集接法，起到了隔离的作用。限幅放大器由Q3与Q4组成，当e(t)> 0时，Q4的输出为+3V，当e(t)< 0时，Q4的输出为+3V。整个比较器的放大量要根据本地译码器输出的量化台阶的大小决定，放大倍数K应满足： 2.1.3 译码器电路设计图2.3 译码器电路图译码器分为本地译码器和解码译码器，本地译码器和解码译码器的电路结构基本相同。本地译码器由极性变换电路、积分器和射随器组成。极性变换电路有Q5,Q6和Q7组成，功能是将抽样判决电路输出的单极性序列P(t)变换成双极性码。当P(t)由低电平0.3V（0码）跳变为高电平3.6V(1码)时，通过电容的耦合作用，使得Q5截止，Q6饱和导通，A点的电位近似为-12V,当P(t)由高电平跳变为低电平时，Q6截止，Q5饱和导通，A点的电位近似为+12V。因此，A点的输出电压幅度近似为±12V的双极性码。经Q7射随隔离后输出。 积分电路由R和C组成，电容C上的电压，就是本地译码器输出的比较信号，输出的信号经Q8射随后送到比较器。2.1.4 低通滤波器电路设计图2.4 低通滤波器电路图低通滤波器接在积分器之后，积分器即是解码译码器，其输出的波形基本上接近原来模拟信号，但还包含有不必要的高次谐波分量，故需经低通滤波器进行平滑，从而得到十分接近原始模拟信号的输出信号。2.1.5总电路图总体设计电路框图如下图：图2.5 电路框图图2.6 总电路图3 软件仿真在EWB512环境中画出上述总的电路原理图，在仿真软件的环境中用双踪示波器观测各个模块的输出波形。（1） 用双踪示波器观测输出主时钟信号256KHZ和抽样脉冲信号的波形，如下图所示： 图3.1 主时钟信号与抽样脉冲信号波形 上图中，幅值较小的且频率较大的是主时钟信号，幅值较大的且频率较小的是抽样脉冲信号，可见主时钟信号的频率是抽样脉冲的频率的两倍，即抽样脉冲信号是经过了D触发器的二分频作用。从图中可以看出两信号的上升沿的一样的。（2） 模拟信号与比较信号的观测：在M编码器是输入端送入一频率为3000HZ,幅值为2V的正弦波信号，用双踪示波器观测模拟信号的波形和比较信号的波形，如下图所示：图3.2 输入模拟信号和比较信号波形 上图中规则的正弦波是输入的模拟信号，而另一与模拟信号反相且波形近似为正弦波的信号的射随输出的比较信号。（3）模拟信号与M编码输出信号的观测： 图3.3 模拟信号与M编码输出波形 根据编码的基本思想用一时间间隔为t，幅度差为的阶梯波形x(t)去逼近模拟信号x(t)在ti时刻用x(ti)与x(ti)比较，倘若x(ti)x(ti)，就让x(ti)上升一个量阶段，同时 M调制器输出二进制“1”；反之就让x(ti)下降一个量阶段，同时M调制器输出二进制“0”。上图中正弦波为原输入模拟信号，另一信号则为编码输出波形。（4）M译码器输出信号观测： 图3.4 模拟信号与积分器输出波形 在模拟信号输入端送入一频率为3000HZ,幅值为2V的正弦波信号，用双踪示波器观测原输入模拟信号和积分器输出模拟信号的波形，并做比较可知，积分器近似地还原出了原模拟信号，且是反相的。（5）原输入模拟信号与解码器输出模拟信号观测： 图3.5 模拟信号与解码器输出波形 从积分器输出的模拟信号只是部分地还原出原始模拟信号，让积分器输出的信号再经过一个低通滤波器，该低通滤波器内还含有反相放大器，从而滤除了高次谐波分量，使得输出的信号更加逼近原始模拟信号，而且两信号是同相的。4 硬件电路装配与调试 按上述设计的电路图焊接电路板，按各个模块进行焊接：（1）工具介绍本部分用到了以下工具：20W电烙铁一把，最好是可调温的，万用电表一个，尖嘴钳一把，螺丝刀一把，焊锡丝和松香水若干。（2）装配焊接焊接的目的是要使元件和印刷板之间达到可靠的电连接和对元件牢固的固定。焊接的好坏将直接影响到电子产品的质量。在焊接过程中要注意不同类型的元器件要按适当的方法焊接，像导线要进行剥皮和烫锡处理，要去除表面的绝缘层并将金属表面涂上焊锡。对于电镀件，要对元件表面做磨毛处理然后再焊接。焊接结束后对照电路图检查有无焊错的地方，有无虚焊，假焊的现象。（3）调试 在焊接工作完成后，即可用示波器观测各个测量点的波形，并与理论分析进行比较，从而验证设计方案的合理性和硬件电路是否焊接正确。5 心得体会通过这一个星期通信原理的课程设计，我对通信原理这门课程有了更进一步的了解。这次M调制通信系统设计通过使用了34115芯片，自己积极地查阅相关资料，请教老师，与同组的同学一起讨论，最终完成设计。由于这学期通信原理这门课有些方面学得不好，所以在设计过程中遇到了很多问题。刚开始在做这个设计时，网上的资料很少，而且在学习这门课时没认真学习关于增量调制的相关原理，开始的时候有点手足无措。然后通过查阅了网上很多的资料和老师的指导，了解了增量调制的编码和解码的原理，对整个课程设计也有了总体的轮廓，通过学过的知识以及做过的实验，最后有了整体的思路。通过本次课程设计我学到了很多新的东西，极大地拓宽了我的知识面,锻炼了能力，综合素质也得到较大提高，我感到收获不小。但在设计中也发现了大量问题，有些在设计过程中已经解决，有些还需要在今后慢慢学习，只要学习就会有更多的问题，有更多的难点，但也会有更多的收获。从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，由于此次课设我们用到了单片机的相关知识，虽然我们还未学过相关课程。但我们通过此次课设积极主动去查阅相关资料并向其他同学和学长请教，学到了不少东西，在这个过程中与其他同学积极探讨，培养了我的团队协作精神。这就是我在这次课程设计中的最大收获。参考文献1 樊昌信 张甫栩 徐炳祥 吴成柯等编著 通信原理 第五版 国防工业出版社 2007年2月2 曹志刚 饯亚生编著 现代通信原理 清华大学出版社 1992年7月3 乐光新等编著 数据通信原理 人民邮电出版社 1998年6月4 冯丙昌编著 脉码调制通信 人民邮电出版社 1982年9月5 王新梅 肖国镇编著 纠错码的原理与方法 西安电子科技大学出版社 1991年2月附录 元件清单名称符号属性备注与门LS7408四二输入非门LS7404 六单输入D触发器LS7474 上升沿触发，两个放大器LM747 反相放大电阻R101个电阻R514个电阻R1504个电阻R3001个电阻R5604个电阻R1K3个电阻R2K1个电阻R2.2K2个电阻R4.7K4个电阻R6.2K1个电阻R8.2K2个电阻R10K2个电阻R24K1个电阻R36K1个电阻R200K8个电位器W1K1个电容C0.022uF2个电容C47uF4个电容C0.01uF4个电容C1uF4个电容C100uF2个17