武漢理工大學(xué)PCM通信系統(tǒng)課程設(shè)計

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目： PCM通信系統(tǒng)設(shè)計初始條件：具備通信課程的理論知識；具備模擬與數(shù)字電路基本電路的設(shè)計能力；掌握通信電路的設(shè)計知識，掌握通信電路的基本調(diào)試方法；自選相關(guān)電子器件；可以使用實驗室儀器調(diào)試。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、PCM碼速率128KB，兩路時分復(fù)用，通信雙方有線連接，語音信號無明顯失真，采用A律壓縮13折線芯片； 2、系統(tǒng)時鐘信號頻率2.048MHZ，時隙同步信號頻率為8KHZ；3、選用相應(yīng)合適的芯片，設(shè)計確定電路形式，對單元電路和整體系統(tǒng)進(jìn)行計算、仿真

2、驗證。4、安裝和調(diào)試整個電路，并測試出結(jié)果；5、進(jìn)行系統(tǒng)仿真，調(diào)試并完成符合要求的課程設(shè)計書。時間安排： 二十二周一周，其中3天硬件設(shè)計，2天硬件調(diào)試指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日1目錄摘 要I1 PCM基本原理11.1 PCM的基本概念11.2 PCM原理框圖11.3 PCM量化21.4 PCM編碼32 PCM通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計52.1 PCM通信系統(tǒng)設(shè)計原理52.2 模塊電路設(shè)計52.2.1 信源電路52.2.3 時分復(fù)用模塊72.2.4 位同步信號及幀同步信號82.2.5 解時分復(fù)用模塊92.2.6 PCM譯碼模塊112.4 仿真波形圖123 實物制作及

3、調(diào)試143.1 實物制作原理143.1.1 PCM編譯碼電路143.1.2 語音前置放大及功放電路153.2 實物圖及實物調(diào)試結(jié)果164 心得體會19參考文獻(xiàn)20武漢理工大學(xué)通信原理課程設(shè)計說明書摘 要隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，語音信號的數(shù)字化處理在現(xiàn)代通信技術(shù)中得應(yīng)用越來越廣泛，本文簡單的介紹了使用時分復(fù)用和PCM的A律編碼調(diào)制的方法傳輸2路話音信號的過程。SystemView 仿真軟件可以實現(xiàn)多層次的通信系統(tǒng)仿真。脈沖編碼調(diào)制（PCM）是現(xiàn)代語音通信中數(shù)字化的重要編碼方式。利用SystemView 實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制(PCM)仿真，可以為硬件電路實現(xiàn)提供理論依據(jù)。本次課程設(shè)

4、計將通過仿真展示PCM編碼實現(xiàn)的設(shè)計思路及具體過程，并加以進(jìn)行分析。最后介紹簡單PCM通信系統(tǒng)的制作。關(guān)鍵詞：PCM、A律13折線、時分復(fù)用、SystemView仿真1 PCM基本原理1.1 PCM的基本概念PCM調(diào)制就是把一個時間連續(xù)、取值連續(xù)的模擬信號變換成時間離散、取值離散的數(shù)字信號后在信道中傳輸。脈碼調(diào)制就是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化、編碼的過程。抽樣是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號。 量化是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最

5、接近的電平值來表示。一個模擬信號經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個數(shù)值。編碼是用一組二進(jìn)制碼組來表示每一個有固定電平的量化值。然而，實際上量化是在編碼過程中同時完成的，故編碼過程也稱為模/數(shù)變換，可記作A/D。由此可見，數(shù)字程控調(diào)度機脈沖編碼調(diào)制方式就是一種傳遞模擬信號的數(shù)字通信方式。1.2 PCM原理框圖PCM在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數(shù)字化功能，它的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和律方式，我國采用了A律方式，

6、由于A律壓縮實現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼,采用非均勻量化PCM編碼。PCM的編碼原理比較直觀和簡單，如圖1.1所示為PCM系統(tǒng)的原理框圖：抽樣量化編碼信道干擾m(t)ms(t)msq(t)譯碼低通濾波msq(t)m(t)圖1.1 PCM系統(tǒng)的原理框圖從上圖可以看出，輸入的模擬信號m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成了數(shù)字信號(PCM信號)，經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，由譯碼器恢復(fù)出抽樣值序列，再由低通濾波器濾出模擬基帶信號m(t)。通常，將量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器（A/D變換器)；而譯碼與低通濾波的組合稱為數(shù)/模變換器(D/A變換器)。前者完成由模擬信號到數(shù)字信號的變換，后者則相反，即完成

7、數(shù)字信號到模擬信號的變換。1.3 PCM量化量化是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。一個模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點是：無論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當(dāng)信號較小時，則信號量化噪聲功率比也就很小，這樣，對于弱信號時的量化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。可見，均勻量化時的信號動態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服均勻量化的缺點，實際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔也??；對于信號取值大的區(qū)間，其量化間隔也大。它的優(yōu)點

8、是：第一，當(dāng)輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度時，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號量化噪聲功率比；第二，非均勻量化時，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。實際中，非均勻量化的實際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用A壓縮律，因此，PCM編碼方式采用的也是A壓縮律。所謂A壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律：A律壓擴特性是連續(xù)曲線，A值不同壓擴特性亦不同，在電路上實現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的。實際中，往往都采用近似于A律函數(shù)規(guī)律的13折線（

9、A=87.6）的壓路實現(xiàn)，本設(shè)計中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴特性來進(jìn)行編碼的。如圖1.2所示為13折線法的特性圖。未壓縮（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8） 0 圖1.2 13折線法的特性圖1.4 PCM編碼編碼就是把量化后的信號變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。編碼與譯碼需要用到編碼器和譯碼器。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：逐次比較型、折疊級聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。在13折線法中，無論輸入信號是正是負(fù)，均按8段折線（8個段落）進(jìn)行編碼。若用8位折疊二進(jìn)制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，其中用第一位表

10、示量化值的極性，其余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對大小。具體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來分別代表8個段落的起點電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個均勻劃分的量化級。這樣處理的結(jié)果，8個段落被劃分成128個量化級。段落碼和8個段落之間的關(guān)系和段內(nèi)碼與16個量化級之間的關(guān)系如表1.1所示。表1.1 段落碼和8個段落之間的關(guān)系和段內(nèi)碼與16個量化級之間的關(guān)系段落序號段落碼量化級段內(nèi)碼8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160

11、110301050101401002001300112001010001000100000PCM編譯碼器的實現(xiàn)可以借鑒單片PCM編碼器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。單芯片工作時只需給出外圍的時序電路即可實現(xiàn)，考慮到實現(xiàn)細(xì)節(jié)，仿真時將PCM編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實現(xiàn)。2 PCM通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計2.1 PCM通信系統(tǒng)設(shè)計原理本設(shè)計采用的設(shè)計思路是：兩路信號分別經(jīng)過各自進(jìn)行PCM編碼（抽樣、量化、編碼），由于PCM編碼輸出是并行信號，所以必須經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換變成串行信號然后通過復(fù)用，經(jīng)過調(diào)制，進(jìn)入加有高斯噪聲的通道，通過解調(diào)、分路，由于分路出的信號是串行的，D/A輸入是并

12、行數(shù)據(jù)，所以必須通過串并變換電路，然后譯碼、D/A之后經(jīng)過低通濾波器后，輸出原始各自的信號。設(shè)計原理圖如下圖2.1所示：模擬信源1 抽樣調(diào)制復(fù)用 量化并/串轉(zhuǎn)換 編碼模擬信源2 抽樣并/串轉(zhuǎn)換 量化 編碼噪聲信道 模擬輸出1 低通分路解碼D/A串/并轉(zhuǎn)換解調(diào)模擬輸出2 低通D/A解碼串/并轉(zhuǎn)換 2.1 PCM通信系統(tǒng)的原理模型2.2 模塊電路設(shè)計2.2.1 信源電路本設(shè)計采用的是兩路信號的時分復(fù)用系統(tǒng)。信號源為兩路信號，第一路是由兩個正弦信號經(jīng)過疊加形成的信號1，第二路是一個正弦信號，即信號2。兩路語音信號分別經(jīng)過截止頻率均為3KHz的巴特沃斯低通濾波器后，通過延時得到編碼模塊的輸入信號。系統(tǒng)

13、模型如圖2.2所示。圖2.2 語音信號發(fā)生器PCM的信號源模塊組件功能實現(xiàn):信號發(fā)生器：產(chǎn)生穩(wěn)定的信號輸入。低通濾波器：為實現(xiàn)信號的語音特性，考慮到濾波器在通帶和阻帶之間的過渡，采用低通濾波器，而沒有設(shè)計帶通濾波器。采用巴特沃斯低通濾波器，因其具有通帶內(nèi)最大平坦的振幅特性，且隨頻率的增加單調(diào)減少。延時器：信號源發(fā)生器在剛開始產(chǎn)生波形時，有一個過渡的過程。加入其使穩(wěn)定的波形輸入PCM編碼模塊。2.2.2 PCM編碼模塊PCM編碼模塊主要完成對信號的壓縮、量化及輸出等的功能，主要由信號源（圖符277）、A律壓縮器（圖符275）、A/D轉(zhuǎn)換器（圖符273）、并/串轉(zhuǎn)換器（圖符255）組成，系統(tǒng)模型如

14、圖2.3所示。圖2.3 PCM編碼模塊經(jīng)過低通濾波器完成信號頻帶過濾的信源信號通過 PCM 編碼器，由于PCM量化采用非均勻量化，所以要使用瞬時壓縮器實現(xiàn)A律壓縮后再進(jìn)行均勻量化，A/D轉(zhuǎn)換器（圖符273）完成抽樣、量化及編碼，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸出是8路并行數(shù)據(jù)，必須通過8位數(shù)據(jù)選擇器（圖符255）完成并/串轉(zhuǎn)換，將8位的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成成串行數(shù)據(jù)流，最后通過圖符（268）輸出PCM編碼信號。由于在本次設(shè)計中需要同時傳輸兩路語音信號，所以用到兩個PCM編碼模塊，其結(jié)構(gòu)是完全相同的。2.2.3 時分復(fù)用模塊時分復(fù)用模塊是實現(xiàn)兩路話音信號傳輸?shù)年P(guān)鍵，它由晶振（圖符245）、分頻器（圖符246、24

15、8、249）、幀同步信號產(chǎn)生器（圖符250）、8路數(shù)據(jù)選擇器（圖符247）和3路數(shù)據(jù)選擇器（圖符260）等組成，系統(tǒng)模型如圖2.4所示。圖2.4 時分復(fù)用模塊從PCM編碼系統(tǒng)輸出的兩路PCM信號需要復(fù)合才能實現(xiàn)兩路信號的同時傳輸，此外還要在兩路PCM信號前加入幀同步信號，幀同步信號由圖符250產(chǎn)生，同步碼為1110010，這三路數(shù)字信號分別經(jīng)過八位數(shù)據(jù)選擇器（圖符247、圖符255、圖符256）變成串行信號，由四分頻、八分頻和十六分頻來控制，然后將這三路數(shù)字信號送入8位數(shù)據(jù)選擇器（圖符260）中，由3路數(shù)據(jù)選擇器波形控制（圖符261、圖符262、圖符263、圖符264）把這三個數(shù)字信號放在一個

16、PCM合路信號的不同時隙上以實現(xiàn)信號的時分復(fù)用傳輸。3路數(shù)據(jù)選擇器波形控制是用兩個D觸發(fā)器組成的，參數(shù)使用默認(rèn)值。圖符251、圖符257、圖符258、圖符265，為自定義函數(shù)信號發(fā)生器，在此的作用均為為8路數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器輸入的使能信號。分頻器后面有的加有一個非門，這是根據(jù)具體電路特點而加上的，使得八選一電路會按由低到高的順序在輸入端的數(shù)據(jù)輸出，即時分復(fù)用信號。2.2.4 位同步信號及幀同步信號在接收端，為了能使接收到的信號能夠準(zhǔn)確的提取和還原，需要提取接收信號的同步信號，同步信號包括位同步信號和幀同步信號，而且位同步信號是幀同步信號的前提。位同步信號和幀同步信號的系統(tǒng)模型如圖2.5和圖2

17、.6所示。圖2.5 位同步系統(tǒng)圖2.6 幀同步系統(tǒng)2.2.5 解時分復(fù)用模塊位同步信號和幀同步信號提取后還需要進(jìn)行一系列延時和同步等才能作為接收端提取時分復(fù)用信號中兩路PCM信號的提取信號。在本次設(shè)計中用到的解時分復(fù)用模塊如圖2.7所示，其中，圖符286為幀同步系統(tǒng)，圖符287為位同步系統(tǒng)，圖符91、99、101、103為單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，圖符97為D觸發(fā)器。圖2.7 解時分復(fù)用模塊系統(tǒng)圖由位同步系統(tǒng)和幀同步系統(tǒng)提取的位同步信號和幀同步信號分別經(jīng)過延時器，對同步信號做進(jìn)行延時處理，延時后的幀同步信號和位同步信號經(jīng)過D觸發(fā)器，將其相位調(diào)整到一致的狀態(tài)，即同相，以便后續(xù)對兩路PCM信號的提取。經(jīng)同

18、相處理后的幀同步信號經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器將幀同步的一個碼元寬度擴展為八個碼元寬度，再將其和位同步信號相與，得到第一路時隙信號（由圖符94輸出），在第一路時隙信號和經(jīng)8位移位寄存器（圖符106）輸出的移位后的幀同步信號的作用下，從復(fù)接后的PCM信號中分接出第一路語音信號；對于第二路時隙信號的提取，首先要將幀同步信號移位16個碼元周期，再經(jīng)過與第一路同步信號同樣的操作，才得到第二路時隙信號（由圖符131輸出），在第二路時隙信號和經(jīng)8位移位寄存器（圖符108）輸出的移位后的幀同步信號的作用下，從復(fù)接后的PCM信號中分接出第二路語音信號。至此兩路PCM信號全部成功提取。2.2.6 PCM譯碼模塊PCM

19、譯碼模塊的過程與編碼模塊的過程正好相反，在此將不再贅述，僅給出系統(tǒng)圖，如圖2.8所示。圖2.8 PCM譯碼系統(tǒng)2.3 系統(tǒng)總電路圖綜合上述各個模塊，得到兩路PCM時分復(fù)用的系統(tǒng)圖如圖2.9所示。圖2.9 兩路PCM時分復(fù)用的系統(tǒng)圖2.4 仿真波形圖第一路語音信號：第一路還原信號：第一路PCM信號：第二路語音信號：第二路還原信號：第二路PCM信號：3 實物制作及調(diào)試3.1 實物制作原理3.1.1 PCM編譯碼電路由于時間有限加上元件很難買到，本次我們實物制作時只做了一路PCM系統(tǒng)。主要包括定時電路、編譯碼電路、語音前置放大及功率放大。定時電路及編譯碼電路原理圖如圖3.1所示。圖3.1 PCM編碼

20、調(diào)制電路原理圖PCM電路中的編譯碼器IC7（TP3067）所需的主時鐘脈沖2.048MHz和幀定時信號脈沖8KHz，均由定時部分提供。定時電路由時鐘振蕩器、整形、分頻、計數(shù)和分配器等電路組成。 時鐘晶體振蕩器 由電原理圖可知，時鐘晶體振蕩器由4096KHZ晶體和IC1（74LS04）六非門中的IC1B、IC1A構(gòu)成環(huán)形振蕩器。振蕩器的輸出頻率為4096KHZ。 整形電路 整形電路由IC1（74LS04）中的IC1C構(gòu)成，時鐘晶體振蕩器輸出的4096KHZ的信號，經(jīng)IC1C放大、限幅后輸出規(guī)則的方波信號。 分頻器分頻器由IC2（74LS74）雙D觸發(fā)器，IC3 、IC5（74LS161）二級4位

21、二進(jìn)制計數(shù)器、IC4（74LS20四輸入與非門）、和IC6（74LS138）三八譯碼/分配器構(gòu)成。由時鐘晶體振蕩器輸出并經(jīng)整形后的4096KHZ定時脈沖源，首先經(jīng)IC2A雙D觸發(fā)器進(jìn)行二分頻，輸出2048KHZ的位定時脈沖信號。分兩路輸出：1 送到PCM編/解碼集成電路IC7（TP3067）的（9、10與11、12腳）作位定時鐘脈沖。2送到IC3、（74LS161）4位二進(jìn)制計數(shù)器的（2腳）。作計數(shù)器的時鐘脈沖。2048KHZ的定時脈沖首先經(jīng)IC3（74LS161）計數(shù)，相當(dāng)于分頻，經(jīng)由內(nèi)部電路處理后，分別由Q0、Q1、Q2和Q3輸出128KHZ的脈沖。分別送到IC4、IC5和IC6，最后，再

22、經(jīng)由IC1（74LS04）六非門中的IC1D、IC1E整形后輸出兩路頻率為8KHZ的脈沖信號（本機僅用兩路），即幀同步定時脈沖。其中，一路直接加到IC7（TP3067）的14腳，作發(fā)送部分的幀同步定時脈沖；另一路則加到IC7（TP3067）的7腳作接收部分的幀同步定時脈沖。為了簡化設(shè)計，本次設(shè)計的編譯碼部分公用一個定時源，以確保發(fā)收時隙的同步。在實際的PCM數(shù)字電話設(shè)備中，必須有一個同步系統(tǒng)來保證發(fā)收同步的。3.1.2 語音前置放大及功放電路 本次設(shè)計采用集成運放LM324來做前置放大，采用LM386來做功放。其電路較為簡單，在此不予詳述。具體電路原理圖如圖3.2和3.3所示。 圖3.2 前置

23、放大電路圖3.3 功放電路3.2 實物圖及實物調(diào)試結(jié)果在各組員的團(tuán)結(jié)協(xié)作下，我們終于做成了實物。實物圖如圖3.4所示。圖3.4 實物圖經(jīng)過調(diào)試，從編碼輸入端加一個正弦信號，在譯碼輸出端能夠收到相應(yīng)的信號，無明顯失真。功放電路也能正常工作。但語音前置放大部分沒有正常工作，估計是麥克風(fēng)輸入端連接有點小問題?？偟膩碚f，這次實物制作還是比較成功的。實物檢測圖如圖3.5和3.6所示。圖3.5 編碼輸入圖3.6 譯碼輸出4 心得體會本次通信原理課程設(shè)計讓我對通信原理等科目和原理知識有了更深入的了解，與此同時，我也真切的發(fā)現(xiàn)，僅僅懂得一堆理論，只會紙上談兵是相當(dāng)不夠的，我還需要多多的進(jìn)行實物的的制作或者是通過仿真軟件進(jìn)行獨立的設(shè)計與仿真，才能發(fā)現(xiàn)很多平