时分复用系统设计.docx

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1、目录第一章绪论1第二章设计原理22.1 PCM编码原理22.2时分复用原理2第三章总体设计思路43.1总体结构框图43.2各单元电路设计4第四章软件仿真74.1仿真软件74.2两路信号74.3编码以及时分复用子模块84.4位同步模块114.5帧同步模块124.6时分解复用模块144.7 PCM 译码模块154.8总系统仿真18第五章总结与体会19第一章绪论随着现代通信技术的发展，为了提高通信系统信道的利用率，话音信号的传输往往 采用多路复用通信的方式。这里所谓的多路复用通信方式通常是指：在一个信道上同时 传输多个话音信号的技术，也称复用技术。复用技术有多种工作方式，例如频分复用， 时分复用以及

2、码分复用等。在本文中运用的是两路的时分复用技术。时分复用（TDM： Time Division Multiplexing）的特点是，对任意特定的通话呼叫， 为其分配一个固定速率的信道资源，且在整个通话区间专用。TDM把若十个不同通道 （channel）的数据按照固定位置分配时隙（TimeSlot： 8Bit数据）合在一定速率的通路 上，这个通路称为一个基群。时分复用是建立在抽样定理基础上的。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 短时间时，在抽样脉冲之间就留有时间空隙，利用这个时间空隙便可以传输其他信号的 抽样值。因此，这就有可能沿一条

3、信道同时传送若干个基带信号。当采用单片集成PCM编解码器时（如本文采用TP3057），其时分复用方式是先 将各路信号分别抽样、编码、再经时分复用分配器合路后送入信道，接收端先分路，然 后各路分别解码和重建信号。PCM的32路标准的意思是整个系统共分为32个路时隙， 其中30个路时隙分别用来传送30路话音信号，一个路时隙用来传送帧同步码，另一 个路时 隙用来传送信令码，即一个PCM30/32系统。第二章设计原理2.1 PCM编码原理PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM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

4、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，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编码其示意图见图2-1。图2-1 PCM编码2.2时分复用原理时分多路复用通信（此课题为两路），是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进 行通信。由前述的抽样理论可知，抽样的一个重要作用，是将时间上连续的信号变成时 间上离散的信号，其在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供了条 件。具体说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同 的时间间隙，以达到互相分开，互不

5、干扰的目的。图2-2为时分多路复用示意图，各路 信号经低通滤波器将频带限在 3400Hz以下,然后加到快速电子旋转开关（称分配 器）K1,K2开关不断重复地作匀速旋转，每旋转一周的时间等于一个抽样周期T，这样就 做到对每一路信号每隔周期T时间抽样一次。由此可见，发端分配器不仅起到抽样的作 用，同时还起到复用合路的作用。合路后的抽样信号送到PCM编码器进行量化和编码， 然后将数字信码送往信道。在收端将这些从发送端送来的各路信码依次解码，还原后的 PAM信号，由收端分配器旋转开关K2依次接通每一路信号，再经低通平滑，重建成 话音信号。当采用单片集成PCM编解码器时，其时分复用方式是先将各路信号分别

6、抽接收端先分路，然后各路分别解码和样、编码、再经时分复用分配器合路后送入信道， 重建信号。图2-2时分多路复用第三章总体设计思路3.1总体结构框图框图如图3-1所示:图3-1总框图两路信号先经过编码以及时分复用子模块形成合路信号，然后通过位同步，帧同步， 通过时分解复用分离出两路信号，然后两路信号分别进入不同的译码子系统，完成还原 各路信号。3.2各单元电路设计3.2.1 PCM编解码该电路由晶体振荡电路、帧同步信号产生器、编码器、译码器、话筒电路和耳机电 路组成。其中晶体振荡电路用4.096MHz的晶体谐振器组成振荡电路，通过分频得到 PCM编码和解码的位时钟2.048MHz，帧同步信号产生

7、器产生的同步信号来完成两路信 号的复接，话筒电路和耳机是图中的语音电路，完成语音信号的生成与拾取。3.2.2复接、分接数字复接实质上就是对多路数字信号进行时分复用，让不同的支路信号占用不同的 时隙时间，在接收端再根据时间上的不同将信号分开，这一步骤叫分接，它是复接的逆 过程。复接方式有三种：按位复接、按字复接、按帧复接。每路每次只插入1个符号的方 式称为按位复接。对于二进制码序列，按位复接即按比特复接。这种方法是以1比特码 为单位，对每个复接支路的信号每次只复接1位码，按位复接的最大优点是对复接缓冲存储器的容量要求小、简单易行、容易实现。3.2.3压缩与扩张压缩与扩张特性分别如图3.2,图3.

8、3所示图3.2压缩图3-3扩张3.2.4位同步和帧同步1. 位同步基本原理位同步锁相法的基本原理和载波同步类似。在接收端利用鉴相器来比较接收码元和 本地产生的位同步信号的相位，若两者不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号 去调整位同步信号的相位，直至获取准确的位同步信号为止。我们把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法。在数字通信中，常采用数 字锁相法提取位同步信号。如图3-4所示，它由高稳定度的晶振、分频器、相位比较器 和控制器组成。2. 帧同步基本原理在时分复用系统中，为了正确的传输信息，必须在信息码流中插入一定数量的帧同 步码，可以集中插入也可以分散插入。从总体上看，本模块可分为

9、巴克码识别器及同步保护两部分。巴克码识别器包括移 位寄存器、相加器和判决器，图3-5中的其余部分完成同步保护功能。图3-5帧同步模块原理框图第四章 软件仿真4.1仿真软件随着电子技术和计算机技术的发展，仿真技术得到了广泛的应用。基于信号的用于 通信系统的动态仿真软件SystemView具有强大的功能，可以满足从底层到高层不同层 次的设计、分析使用，并且提供了嵌入式的模块分析方法，形成多层系统，使系统设计 更加简洁明了，便于完成复杂系统的设计。SystemView具有良好的交互界面，通过分析窗口和示波器模拟等方法，提供了一 个可视的仿真过程，不仅在工程上得到应用，在教学领域也得到认可，尤其在信号

10、分析、 通信系统等领域。其可以实现复杂的模拟、数字及数模混合电路及各种速率系统，并提 供了内容丰富的基本库和专业库。本文主要阐述了如何利用SystemView实现脉冲编码 调制（PCM）。系统的实现通过模块分层实现，模块主要由PCM编码模块、PCM译码 模块、及逻辑时钟控制信号构成。通过仿真设计电路，分析电路仿真结果，为最终硬件 实现提供理论依据。4.2两路信号本信号源由两路信号组成，分别是频率为2.5kHz与1.5KHz叠加组成的正弦波和高 斯噪声。通过截止频率为3KHz的低通滤波器得到两路语音信号。送到复接模块。图4-1两路语音模块图4-2两路语音信号4.3编码以及时分复用子模块4.3.1

11、产生帧同步信号模块我们在信源库中选取脉冲串作为晶振，设置成频率为10 6Hz,脉宽为的周期性方波 分频器用4个分频器对晶振进行分频，参数设定只需将分频系数写成4, 8, 16等。1. 三分频：由于三分频器是用来提供两根三选一电路地址线的，所以我们用两个 D触发器来进行三分频，注意D触发器的输入除了时钟外还有清零端，置位端两个输入， 它们是低电平有效，使用时候应当注意。2. 数据源：在信源库中有用户定义输出，我们可以写下1110010作为巴克码源， 数据一，数据二由信号提供八路数据，三个数据源的八个输出分别和八个数据输入相连。3. 三选一或八选一:三选一的功能可以由八选一构成，它有一个使能端，低

12、电平 有效，使用时候要加入低电平。4.3.2 PCM编码以及时分复用模块PCM编码及时分复用模块主要由信源输入端子、瞬时压缩器、A/D转换器、8位数 据选择器、16位分频器、并/串转换器、非门、与门、D触发器、输出端子构成，SystemView 实现模型见图4-1所示。在通信系统中，由于电话线的带宽约为3000Hz，以电话的音质为准，一般认为在 通信中语音的带宽为300Hz3400Hz。信号经过PCM编码器子模块的输入端（图符277） 后，由于PCM量化采用非均匀量化，还要使用瞬时压缩器（图符276）实现A律压缩 后再进行均匀量化，A/D转换器（图符273、274）完成采样及量化，由于A/D转

13、换器的输出是并行数据，必须通过数据选择器（图符255、256）完成并/串转换成串行数据， 最后通过图符270输出PCM编码信号。图4-3 PCM编码以及时分复用PCM编码器组件功能实现：1. 瞬时压缩器：瞬时压缩器（图符275、276）使用了我国现采用A律压缩，注意 在译码时扩张器也应采用A律解压。对比压缩前后时域信号，明显看到对数压缩时小信 号明显放大，而大信号被压缩，从而提高了小信号的信噪比，这样可以使用较少位数的 量化满足语音传输的需要。2. A/D转换器（图符273、274）:完成经过瞬时压缩后信号时间及幅度的离散， 通常认为语音的频带在300Hz 3400Hz，根据低通采样定理，采样

14、频率应大于信号最高 频率两倍以上，在这里A/D的采样频率为8Hz即可满足，均匀量化电平数为256级量 化，编码用8bit表示，其中第一位为极性表示，这样产生了 64kBit/s的语音压缩编码。3. 数据选择器（图符255、256、260）:图符255为带使能端的8路数据选择器， 与74LS151功能相同，在这里完成A/D转换后的数据的并/串转换。审 wl9: Extracted from wlO (0.000 to 100.0e-6 sec)| czSystemVew图4-4帧同步由图形可以看出帧同步码为11110010。图4-5两路信号PCM图由两路被瞬时压缩器A律压缩的信号，经过A/D转换

15、器，形成两路PCM信号。刮 w21: Extracted from wll (0.000 to 100.0e-6 sec)|-g-|-EP|由图4-6可知，合路信号由帧同步、第一路语音信号、第二路语音信号复接而成。4.4位同步模块位同步模块的SystemView仿真图如图4-7所示。图4-7位同步模块哥 w22: Extracted from w5 (0.000 to 100.0e-6 sec)奇 w21: Extracted from wll (0.000 to 100.0e-6 sec)| o | 回| S3 |图4-8位同步信号如图4-8可知，下面的图合路信号与位同步子系统输出信号正好相

16、位一致，两列信 号无论是上升沿还是下降沿都保持对齐。接收码元的相位可以从基带信号的过零点提取（它代表码元的起始相位），而对数字 信号的微分就可以获得过零点的信息，由于数字信号的过零方向有正有负（即0变到1 和由1变到0），微分再整流就可以获得接收码元所有过零信息。接收到码元的相位后， 再将它加于相位比较器进行比较，因为相位信息是通过微分，整流而获得的，所以称这 种方法为微分整流数字锁相法。其原理是，设输入信号为不归零码，我们将每个码元的宽度分为两个区，前半码元 称为“滞后区”，表示位同步脉冲的相位滞后于接收码元的相位；同样，后半码元称为 “超前区”。接收码元经过零检测（微分，整流）后，并经单稳

17、态4 （图符85）电路后， 输出相位比较脉冲，当位同步脉冲波形（它是由n次分频器d端的输出，取其上升沿而 形成的脉冲）位于超前区时，相位比较脉冲和分频器d端的输出波形使与门A （图符93） 有输出，该输出再经过单稳态1（图符204）就产生一超前脉冲，若位同步脉冲波形、 落于滞后区，分频器c端的输出波形（。端和d端互为反相关系），则与门8 （图符206） 有输出，再经过单稳态2 （图符205）产生一滞后脉冲。这样，无论位同步脉冲超前和 滞后，都会分别送出超前或滞后脉冲进行扣除或附加，从而达到相位调整的目的。4.5帧同步模块帧同步系统可以分为两个部分：巴克码识别器和同步保护。巴克码识别器包括移位

18、寄存器，相加器和判决器。上面其余部分完成同步保护功能。帧同步模块的SystemView 仿真图如图4-3所示。P的上升沿的最后一位帧同步码的结束时刻到齐。:24电路是将位同步信号进行24分频得到的，其周期与输入信号的周期一样（24 位）。但是它们相位不一定相同。当识别器输入一个P信号时（既捕获到一组正确的帧 同步码），在P信号和同步保护器作用下，：24电路清零，从而使得输出的；24电路输 出信号下降沿与P信号上升沿对齐，该信号驱动一个单稳态电路，单稳态电路设置为下 降沿触发，其输出信号上升沿比：24电路输出信号下降沿稍有滞后。当帧同步码没有到达时，识别器的输出为0,与门1关闭，与门2打开单稳态

19、信号 通过与门2后输入到M电路，：3电路的输出信号使得状态触发器置“0”从而关闭与 门3,同步器无输出信号，此时Q*的高电平把判决器的门限变为7,且关闭或门、打开 与门1，同步起始处于捕捉状态。只要识别出一个P信号（因为判决门限较高，这个P 信号表示帧同步信号到达的正确率很高），与门4就可以输出一个置0脉冲使得：24电 路置0，:24电路输出与P同频同相的周期信号。P脉冲通过与门1后使得状态触发器 置“1”，从而打开与门3,输出帧同步信号FS-OUT，同时使判决门限降为6、打开或 门、同步器进入维持状态。在维持状态下因为判决电平比较低，故识别器的漏识别概率 减小，假识别概率增加，但假识别信号与

20、单稳输出不同步，故与门1，与门4不输出假 识别信号，从而使得假识别信号不影响：24电路的工作状态。与门3输出的仍然是正确 的帧同步信号。在维持态下，识别器也可能出现漏识别，但由于漏识别的概率较小，连续几帧出现 漏识别概率就更小。只要识别器不连续3帧出现漏识别，则：3电路不输出脉冲，维持 状态保持不变。若连续三次出现漏识别，则：3电路输出一个脉冲信号，使得维持态变 为捕捉态，重新捕捉帧同步码。由于信源产生的信号是以一帧为周期的周期信号，所以若识别器第一次输出的帧同 步信号为假识别信号，则系统进入错误的同步状态，并一直维持下去。实际中信号不会 是周期的，所以这种错误的同步状态存在时间是短暂的。当然

21、，同步保护器中的：3电路分频比也可以设为其他值，此值越大，在维持状态 下允许漏识别的概率也越大。在维持态下对同步信号的保护措施称为前方保护，在捕捉态下的同步保护称为后方 保护。本同步器中捕捉态下的高门限属于后方保护措施之一。它可以减少假同步的概率， 当然还可以采取其他电路措施进行后方保护。低门限和：3电路属于前方保护，它可以 保护已建立起来的帧同步信号避免识别器偶尔出现的漏识别造成帧同步器丢失帧同步 信号，即减少漏同步概率。同步器中的其它保护电路用来减少维持态下的假同步概率。图4-10帧同步信号如图4-10，帧同步信号与位同步信号达成相位一致，帧同步周期是位同步周期的 24倍，对应一帧有24位

22、码元，一帧可以传输三路信号：帧同步码，第一路信号，第二 路信号。4.6时分解复用模块时分解复用就是把各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信分离出原来 的模拟信号。把用一个信道传输中的多路数字信号，用被均匀分成若十个时隙，将各路 信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开的目的。时分解复用信号在接 收端只要在时间上恰当地进行分离，各个信号就能分别互相分开并不失真地还原出原来 的模拟信号。时分解复用模块的SystemView仿真图如图4-4所示。D触发器（图符92）:使帧同步与位同步保持相位一致。单稳态触发器（图符99）:使帧同步信号延迟调相，脉冲保持16x 10-6秒，正好是 8个

23、位时隙（时间为）组成一个帧时隙。8位寄存器（图符106、108）:图符106，108分别是延长一个和两个的时隙，主 要目的是通过不同的时隙把合路信号分离出第一路，第二路信号。对帔同步信号进行延时。触发器保持相位图4-11时分解复用首先，帧同步与位同步通过D触发器保持相位一致，然后通过对位同步信号分别延时一个和两个单位时间，然后再用单稳态触发器让脉冲宽度增大8倍，即保持16x 10一6秒，形成不同的时隙，再将位同步信号和帧同步信号相与，获得两路信号时隙4.7 PCM译码模块PCM译码模块是实现PCM编码的逆系统。PCM译码模块主要由串/并转换器、锁 存器、D/A转换器、瞬时扩张器、低通滤波器构成

24、。SystemView实现模型见图4-5所示。图4-12 PCM译码模块1 .串/并转换器（图符90、130）:图符90、130为一个由8位移位寄存器实现的 串并转换器，SystemView的逻辑库可以提供与74LS164功能一致的组件，其具有两路 与输入，需要输入外部时钟及清零设置，数据输入A为PCM信号，为不影响与操作， 另一路输入B为高电平，时钟与位时钟相同，为256kHz时钟。2. 锁存器（图符120、132）:经过串并转换后的串行数字语音信号，每8bit为一 个数据帧，必须经过锁存才可以将数据并行送至D/A转换器。在实际电路中往往使用 74LS373实现锁存功能，System Vie

25、w的逻辑库可以提供与74LS373功能基本一致的8 位锁存器，差别是无三态输出方式。锁存器的使能端的时序控制应该与采样时钟一致， 由于系统存在时延，在使能端通过设置初始相位解决后，送至D/A转换器中。3. D/A转换器（图符222、223）：用来实现与A/D转换相反的过程，实现数字量转 化为模拟量，从而达到译码最基本的要求，也就是最起码要有步骤。4. 瞬时扩张器（图符220、221）:实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用A律 压缩，扩张也必须采用A律瞬时扩张器。5. 低通滤波器（图符224、226）:由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔 径失真，量化时也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定

26、时抖动失真，需要对再生信 号进行幅度及相位的补偿，同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤 波器。审 w4:信号 1 (t225)信号 1(t225)0400-eSOOeS1.2e-31 .眼32e-3Time in SecondsSystemView串wl:还原信号1 (tl23J还原信号1 H1W3)0400e800e1.2e-31.Be-32e-30400eB1.眼32e-3SOOeB1.2e-3Time in SecondsSystemViewSSPUJ-l-iQ豆审w2:还原信M皿祯活原信号2住139)0SOOeS15&-3坷3-10e-3-20e-3SPUJl-lIll

27、ury04.8总系统仿真如图4-8所示:图4-6总仿真图第五章总结与体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关通信的知识，在设计过程中虽然遇 到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也 暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使 我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领 悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行 观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下， 终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实

28、践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题 就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能 成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可 能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它 能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是 日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、 再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为 乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的

29、事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可 以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得 是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识， 而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实 际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结 合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独 立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得 到了解决。实验过程中，也对团队精神的进行

30、了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后 一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最 终完美的结果。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请 教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。参考文献1通信原理教程樊昌信电子工业出版社，2008现代通信系统与信息网鲜继清 等 高等教育出版社，20053高频电子线路高吉祥电子工业出版社，20074电子技术基础康华光高等教育出版社，20065通信原理实验浣喜明湖南工程学院，20056现代交换原理与技术郑少仁 等 电子工业出版社，20067现代通信原理习题解答与实验教程陆辉电子工业出版社，20088现代通信原理曹志刚，钱亚生清华大学出版社，19929现代通信原理及应用苗长云电子工业出版社，2005