通信课程设计_PCM通信系统设计

课程设计任务书学生姓名：易杨专业班级：电信0802 指导教师：苏扬工作单位：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、仿真验证。

4、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计说明书。

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：年月日目录摘要 (I)1 理论基础 (1)1.1 PCM系统结构 (1)1.2 PCM调制原理 (1)1.2.1 抽样 (1)1.2.2 量化 (1)1.2.3 编码 (4)2 TP3067介绍 (6)2.1 TP3067功能概述 (6)2.2 TP3067内部逻辑框图 (6)2.3 TP3067引脚排列图与功能 (7)3 工作原理分析 (9)4 实验电路与仿真 (11)4.1 电路原理图 (11)4.2 仿真电路模块 (11)4.2.1 信号源子系统 (13)4.2.2 编码器模块 (13)4.2.3 译码器模块 (14)5 仿真结果 (16)心得体会 (18)参考文献 (19)摘要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。

关键词: PCM 脉冲编码通信系统SystemView1 理论基础1.1 PCM系统结构PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化的功能，是把模拟信号数字化传输的基本方法之一。

PCM的实现主要包括三个步骤：抽样、量化和编码。

这三个步骤分别完成时间上离散、幅度上离散以及量化信号的二进制表示，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，然后在信道中进行传输。

接收机将收到的数字信号经再生、译码、平滑后恢复出原始的模拟信号。

其过程表示如图1.1。

图1.1 PCM通信过程原理1.2 PCM调制原理1.2.1 抽样所谓抽样，就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。

它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。

1.2.2 量化从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。

如图1.2.2-1所示，量化器Q输出L个量化值k y，k=1，2，3，…，L 。

k y 常称为重建电平或量化电化器输入信号幅度x 落在k x 与1+k x 平。

当量化器输入信号幅度x 落在k x 与1+k x 之间时，量化器输出电平为k y 。

这个量化过程可以表达为：{}1(),1,2,3,,k k k y Q x Q x x x y k L +==<≤==这里k x 称为分层电平或判决阈值。

通常k k k x x -=∆+1称为量化间隔。

图1.2.2-1 模拟信号的量化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()m t 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。

通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。

为了克服这个缺点，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v ∆也小；反之，量化间隔就大。

它与均匀量化相比，有两个突出的优点。

首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）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；其次，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。

因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。

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μ压缩律和A 压缩律。

美国采用μ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 X A Ax y 10,ln 1≤<+= 11,ln 1ln 1<≤++=X AA Ax y 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（A=87.6）的压扩特性。

这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，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。

图1.2.2-2示出了这种压扩特性。

图1.2.2-2 13A 律的量化特性曲线表1列出了13折线时的x 值与计算x 值的比较。

表 1表1中第二行的x 值是根据6.87=A 时计算得到的，第三行的x 值是13折线分段时的值。

可见，13折线各段落的分界点与6.87=A 曲线十分逼近，同时x 按2的幂次分割有利于数字化。

1.2.3 编码所谓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。

当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。

在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。

通信中一般都采用第二类。

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。

下面结合13折线的量化来加以说明。

表2 段落码表3 段内码在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27＝128个量化级。

段落码和8个段落之间的关系如表2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表3。

PCM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。

本实验系统选择TP3067芯片作为PCM编译码器，它把编译码器（Codec）和滤波器(Filter)集成在一个芯片上，功能比较强，它既可以进行A律变换，也可以进行u律变换，它的数据既可用固定速率传送，也可用变速率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态，到底使用它的什么功能可由用户通过一些控制来选择。

TP3067可以组成模拟用户线与程控交换设备间的接口，包含有话音A律编解码器。

自调零逻辑。

话音输入放大器、RC滤波器、开关电容低通滤波器、话音推挽功放等功能单元。

TP3067具有完整的话音到PCM和PCM到话音的A律压扩编解码功能。

它的编码和解码工作既可同时进行，也可异步进行。

2 TP3067介绍2.1 TP3067功能概述TP3067在一个芯片内部集成了编码电路和译码电路，是一个单路编译码器。

其编码速率为2.048MHz，每一帧数据为8位，帧同步信号为8KHz。

模拟信号在编码电路中，经过抽样、量化、编码，最后得到PCM编码信号。

在单路编译码器中，经变换后的PCM码是在一个时隙中被发送出去的，在其他的时隙中编译码器是没有输出的，即对一个单路编译码器来说，它在一个PCM帧（32个时隙）里，只在一个特定的时隙中发送编码信号。

同样，译码电路也只是在一个特定的时隙（此时隙应与发送时隙相同，否则接收不到PCM编码信号）里才从外部接收PCM编码信号，然后进行译码，经过带通滤波器、放大器后输出。

2.2 TP3067内部逻辑框图TP3067内部逻辑框图如图2.2所示。

图2.2 TP3067内部逻辑框图2.3 TP3067引脚排列图与功能TP3067引脚排列如图2.3-1所示。

图2.3-1 TP3067引脚排列（1）VPO+：接收功率放大器的非倒相输出（2）GNDA：模拟地，所有信号均以该引脚为参考点（3）VPO-：接收功率放大器的倒相输出（4）VPI：接收功率放大器的倒相输入（5）VFRO：接收滤波器的模拟输出（6）Vcc：正电源引脚，Vcc=+5V+5%（7）FSR：接收帧同步脉冲，它启动BCLKR，于是PCM数据移入DR，FSR 为8KHz脉冲序列。

（8）DR：接收数据帧输入。

PCM数据随着FSR前沿移入DR。

（9）BCLKR/CLKSEL：在FSR的前沿把输入移入DR时位时钟，其频率可以从64KH至2.048MHz。

另一方面它也可能是一个逻辑输入，以此为在同步模式中的主时钟选择频率1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz，BCLKR用在发送和接收两个方向。

（10）MCLKR/PDN：接收主时钟，其频率可以为1.536MHz、1.544MHz 或2.048MHz。

它允许与MCLKx 异步，但为了取得最佳性能应当与MCLKx同步，当MCLKR 连续连在低电位时，CLKx 被选用为所有内部定时，当MCLKR 连续工作在高电位时，器件就处于掉电模式。

（11）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。

（12）BCLKx：把PCM数据从Dx 上移出的位时钟，其频率可以从64KHz 至2.048MHz，但必须与MCLKx 同步。

（13）Dx：由FSx 启动的三态PCM数据输出。

（14）FSx：发送帧同步脉冲输入，它启动BCLKx 并使Dx 上PCM数据移出到Dx上。