PCM通信系统设计.doc

武汉理工大学通信原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 骆 准 专业班级： 电信0601班 指导教师： 陈 永 泰 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、仿真验证。4、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16武汉理工大学通信原理课程设计说明书目 录摘要·····························································I1 PCM原理·······················································11.1 PCM系统组成················································11.2 抽样·······················································21.3 量化·······················································21.4 编码·······················································32 时分复用原理···················································4 3 实验电路图·····················································73.1编译码芯片介绍··············································73.2引脚图·····················································73.3 PCM编译码电路·············································84 仿真图························································115 心得体会······················································13参考文献························································14致谢····························································151 PCM原理1.1 PCM系统组成 干扰音频信号编码量化信道译 码低通滤波音频信号抽样图1.1 PCM通信系统方框图1.2 抽样低通抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)，如果它的最高频率为fh，则可以唯一地由频率等于或大于2fh 的样值序列所决定。在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息。并且，从抽样信号中可以无失真地恢复出原始信号。音频信号频谱如图1.2 。 因为对时域信号进行采样相当于将时域信号按抽样抽样频率为周期进行周期延扩，因此需要在抽样后得到的信号后一级加上一个低通滤波器，将音频信号滤出。抽样后信号频谱如图1.3 。1.2 音频信号的频谱1.3 抽样后的频谱由于语音信号的频率范围为3003400HZ,通常将语音信号通过一个3400 Hz 低通滤波器（或通过一个3003400Hz 的带通滤波器），限制语音信号的最高频率为3400Hz，这样可以用频率大于或等于6800 Hz 的样值序列来表示。抽样分为自然抽样和平顶抽样。自然抽样是在抽样脉冲持续期间，样值幅度随输入信号变化而变化。平顶抽样是抽样值的幅度为抽样时刻信号的瞬时值，在抽样脉冲持续期间样值幅度。1.3 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。因此量化后信号是离散的。量化分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化是把输入信号的量化范围按等间隔分割的量化。均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点。均匀量化的信号的动态范围受到较大的限制，小信号的信噪比小，由于门限效应，编码时的位数相对较多，设备较复杂。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。信号值小时，量化间隔也小；信号值大时，量化电平相对较大。这样在不增加量化级数的条件下，使信噪比在较宽的范围内达到所需的指标，从而改善了小信号的量化信噪比。非均匀量化实现方法是将样值通过压缩其后再进行均匀量化，常用的是A律和U律。u律：A律：1.4 编码编码是将量化值变换成代码。它分为均匀量化编码和非均匀量化编码。非均匀量化中的13折线编码用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值。第一位表示量化的极性。第二至四位段落码的八种可能的状态来分别代表八个段落的起点电平，其他四位码的16种状态用来分别代表每一段落的十六个均匀划分的量化级。2 时分复用原理一个频带限制在fH以内的模拟信号m(t),可以用时间上离散了的抽样值m(kTs)来传输,m(kTs)包含了m(t)的全部信息。如果信道对m(t)的传输不产生失真和不引入噪声,则m(t)=km(t-t0),只是大小不同,或产生一定的时延。这样的系统只传输一路信号是不经济也没有必要的。如果利用ms(kTs)在时间上离散的相邻脉冲间有很大空隙的特征。在此中插入其它若干路也是抽样后的信号。只要各路抽样信号在时间上能区分开(互不重叠),那么这个信道就有可能同时传输多路信号,达到多路复用的目的。这种多路复用称为时分多路复用TDM。时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理使连续（模拟）的基带信号有可能被在时间上离散出现的抽样脉冲所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样值，因此，就可能用一条信道同时传送若干个基带信号,并且每一个抽样值占用的时间越短，能够传输的路数也就越多。时间复用信号在接收端只要在时间上恰当地进行分离，各个信号就能分别得到恢复。时分复用通信系统有两个突出的优点，一是多路信号的汇合与分路都是数字电路，简单、可靠；二是时分复用通信系统对非线性失真的要求比较低。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2.1 两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PCM编码，得到两路PCM码（PCMA和PCMB），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2.2。图2.2时分复用原理框图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BS的四倍，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2.3所示，拨码开关SW701可设置帧同步码的码型。图2.3 帧结构图复用信号通过解复用电路还原出两路PCM编码信号，分别送入时分复用模块和模拟信号数字化模块进行PCM译码输出，得到的两路信号分别与输入信号相同。图2.4是解复用部分的原理框图。图2.4 解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。3实验电路图3.1 编译码器芯片介绍 编译码器是把Codec和Filter集成在一个芯片上，它的框图见下图所示。该器件为TP3067。图3.1 TP3067的内部图3.2 引脚符号符号 功 能 VPO+ 接收功率放大器的同相输出。 GNDA 模拟地，所有信号均以该引脚为参考点。 VPO- 接收功率放大器的倒相输出。 VPI 接收功率放大器的倒相输入。 VFRO 接收滤波器的模拟输出。 VCC 正电源引脚，VCC = +5V士5% FSR 接收帧同步脉冲，FSR为8kHz脉冲序列。 DR 接收帧数据输入。PCM数据随着FSR前沿 移入DR。BCLKRCLKSEL 在FSR的前沿后把数据移入DR的 位时钟，其频率可从64kHz至2.48MHz。 MCLKRPDN 接收主时钟，其频率可以为1.536MHz、 1.544MHz或2.048MHz。MCLKX 发送主时钟，其频率可以是1.536MHz，1.544MHz或2.048MHz.它允许与MCLKR异步，同步工作能实现最佳性能。 BCLKX PCM数据从DX上移出的位时钟，频率从64kHz至2.048MHz，必须与MCLKX同步。 DX 由FSX启动的三态PCM数据输出。 FSX 发送帧同步脉冲输入，它启动BCLKX并使DX上PCM数据移到DX上。 ANLB 模拟环回路控制输入，在正常工作时必须置为逻辑“0”，当拉到逻辑“1”时，发送滤波器和前置放大器输出被断开，改为和接收功率放大器的VPO+ 输出连接。 GSX 发送输入放大器的模拟输出。用来在外部调节增益。 VFXI- 发送输入放大器的倒相输入。 VFXI+ 发送输入放大器的非倒相输入。 VBB 负电源引脚，VBB = -5V ± 5% 。3.3 PCM编译码电路 PCM编译码电路所需的工作时钟为2.048MHz， FSR、FSX的帧同步信号为8KHz窄脉冲，图3.2是短帧同步定时波形图，图3.3是时钟电路测量点波形图，图3.4是PCM 编译码电路的波形图，图5-10是它的电原理图。 在本实验中选择A-Law变换，以2.048Mbit来传送信息，信息帧为无信令帧，它的发送时序与接收时序直接受FSX和FSR 控制。还有一点，编译码器一般都有一个PDN降功耗控制端，PDN=0时，编译码能正常工作，PDN=1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，可以实现对编译码器的降功耗控制。图3.2短帧同步定时图3.3 PCM编译码工作时钟图 3.4 PCM电路原理图4. 仿真图 用SYSTEMVIEW软件仿真，电路图如下。4.1 时分复用码产生电路4.2编译码电路图4.3输入音频信号与输出的音频信号图4.4 A律压缩后的音频信号 仿真时采用幅值为1，频率分别为1kHZ,1500HZ,2000HZ的正弦信号来模拟音频信号。由图4.3可以看出，输入和输出的波形有一定的延时，失真较少。由图4.4看出，压缩后，幅度很小的小信号的信噪比得到很大的改善。5 心得体会通过本次课程设计的学习，我对通信原理有了更深的认识，尤其是在本次课程设计中运用的PCM相关知识。这次课程设计不仅是一次课本知识的综合应用，而且是对我自身意志力的一次磨练。此次课设题目为PCM通信系统设计，不仅要用到多方面的课本理论知识，还需要对系统连接方法有较高程度的掌握，在设计过程中，遇到了如下的一些问题：首先，必须根据实际情况合理的设计采样频率和抽样脉冲的参数，以防波形的失真，由于在刚开始的时候,没有合理设置采样频率的参数,出现了在译码时恢复波形的失真,最后根据采样频率fs大于等于2fH条件,通过不断调试,最终可以合理地恢复源信号波形。但由于在信道传输过程中由于各种原因而引起译码波形有一定的延时现象。在调试带使能端的8路数据选择器在实现PCM编码输出的并行数据转换为串行数据输出时，起初由于没有合理应用选择控制端，而导致数据输出毫无规律，即八路数据当中随机地从哪一路输出，最后通过设置频率不同的三路脉冲方波作用于选择控制端，去控制每一路的数据输出，然后经过调试完成了PCM编码的正确输出。在设计滤波器时,首先要看系统信号源输出信号频率到底是处于在哪个频率范围,再根据其他参考参数和系统各项技术要求,决定是要设计哪种类型的滤波器,是低通型还是带通型滤波器。在这次课程设计中，我们还遇到了老师在课堂上没有讲过的很多内容，比容锁相环的工作原理和工作过程，还有同步信号的相关知识。这些在本次课程设计中是很重要的部分。但是，由于时间有限，我只是简单的了解了一下。我想，在今后的学习中，我还是需要自己勤看书，多思考，来补充这块短板。要真正学好通信原理光靠一次课程设计的学习是远远不够的，还需要我们以后多花时间看书并实践，多和专业课老师交流。这次课设让我认识到自己的短处所在，端正了我的学习态度，激励我更加努力的学习。最后，我要衷心的感谢在本次课程设计过程中带领我们并耐心辅导的老师，还有给予我帮助的所有同学。参考文献1 樊昌信，张甫翊，徐炳祥，吴成柯. 通信原理. 北京：国防工业出版社 2004年2 张素文. 高频电子线路. 北京：高等教育出版社 2004年 3 吴伟陵,续大我,庞沁华通信原理北京邮电大学出版社，20054 青松，程岱松，武建华数字通信系统的SystemView仿真与分析北京航空航天大学出版社，20015 曹志刚，钱亚生. 现代通信原理清华大学出版社，1992 致谢在此次的课程设计中，我要感谢陈永泰和祁存荣两位老师，我在做课设的过程中遇到了很多不懂得问题，最后在老师的教导下和自己的努力下，出色的完成了此次的课程设计。同时我要感谢学校给我这样一个表现自己的机会，给我一个锻炼自己的机会。我也学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢。本科生课程设计成绩评定表姓 名 骆 准性 别男专业 班级电 信 0602 班课程设计题目：PCM通信系统设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终平定成绩（以优，良，中，及格，不及格评定）： 指导教师签字：_ 年 月 日