两路语音PCM时分复用系统的设计

摘要数字通信系统是采用数字信号来传递信息的通信系统，数字通信过程中主要涉及信源编码与译码、信道编码与译码、数字调制与解调等技术问题。

而脉冲编码调制就是一种常用的信源编码方法，将模拟信号抽样、量化，直到转换成为二进制符号的基本过程。

为了扩大通信系统链路的容量，在一条链路上传输多路独立的信号，为此引入了一种复用技术来实现多路信号共同传输的目的。

而在本系统设计中，所运用的复用技术是时分复用，同时基于现场可编程门阵列器件作为主控芯片，在Quartus II软件中使用硬件描述语言Verilog HDL编写PCM编译码和时分复用模块的程序，再对其进行波形仿真以验证程序的正确性，从而设计出语音信号的PCM编码与译码、时分复用的过程。

本设计中，将两路语音信号通过外围硬件电路模块送至FPGA中进行PCM编码、译码处理，最后通过后级外围电路实现语音信号的重现。

关键词：语音脉冲编码调制时分复用FPGADesign of Two-way V oice PCM Systemby Time Division MultiplexingABSTRACT A digital communication system is a communication system that transmit information by using digital signal, and digital communication mainly relates to the source coding and decoding, channel coding and decoding, digital modulation and demodulation technology. Pulse code modulation is a common source coding, and it is that the analog signal sampling ,quantization ,until the transformation become the basic process of binary symbols. In order to expand the capacity of communication link system ,a transmission of multiple independent signal on a link, therefore introduction of a division multiplexing technology to achieve the purpose of multiplexing.In this system design, we use a time division multiplexing technology, and based on the Field Programmable Gate Array, using Verilog HDL hardware description language to write PCM encoding and decoding and time division multiplexing module in Quartus II, then Waveform simulation to verify the correctness of the program, thus design a voice signal process of PCM encoding and decoding, time division multiplexing. In this system design, The two-way voice signal through the peripheral hardware circuit module is sent to the FPGA for PCM encoding and decoding, finally to achieve reproducible speech signal through the peripheral circuit. Key Words：V oice Pulse code modulation Time division multiplexing FPGA目录摘要 (I)ABSTRACT........................................................... I I 目录1 引言 (1)1.1 选题背景与意义 (1)1.2 QuartusⅡ软件 (2)1.3 FPGA的介绍 (3)1.4 本文内容简介 (4)1.5 实施过程简介 (4)1.6 设计结果简介 (4)2 基本原理介绍 (5)2.1 模拟信号的数字化 (5)2.1.1 采样定理 (5)2.1.2 量化原理 (5)2.1.3 A律13折线 (5)2.2 脉冲编码调制 (7)2.3 时分复用技术 (9)2.4 PCM一次群帧结构 (10)3 系统设计介绍 (11)3.1 总体框图 (11)3.2 外围硬件电路的介绍 (12)3.2.1 拾音电路 (12)3.2.2 仪用放大器 (12)3.2.3 带通滤波器 (13)3.2.4 抬升电路 (13)3.2.5 A/D转换电路 (14)3.2.6 D/A转换电路 (14)3.2.7 功率放大器 (15)3.3 基于FPGA的模块设计 (16)3.3.1 系统时钟的设计 (16)3.3.2 前端模块设计 (16)3.3.3 后级模块设计 (18)3.3.4 同步时钟的提取 (20)3.3.5 整体FPGA系统原理框图 (20)4 设计的结果 (21)致谢 (22)参考文献 (22)附录 (23)1 系统实物图 (23)2 FPGA中主要模块程序 (24)1 引言1.1 选题背景与意义在当今信息化极其高度的社会，信息和通信已经与现代社会的发展密不可分。

随着科技革命步伐的推进，出现了模拟通信系统和数字通信系统两种方式，其中数字通信系统就是利用数字信号传递信息的通信系统，数字通信系统模型如图1所示，并且目前数字通信系统的发展速度已明显超过模拟通信系统，取缔了传统的通信系统，已成为当今通信的发展方向。

数字通信系统因具有噪声不积累、抗干扰能力强，传输差错可控以及便于运用数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储等特点，从而在不同的通信业务领域中都得到了广泛的应用，成为当代通信技术的主流。

图1 数字通信系统模型然而自然界的许多信息绝大部分是模拟信号，而模拟信号是不能够直接被系统所识别，必须将模拟信号采样、量化、编码将其转换成数字信号。

脉冲编码调制(PCM)是把模拟信号变换为数字信号的一种最基本、最常用和最简单的编码方式，主要广泛的应用在语音传输，光纤通信、卫星通信这些领域中。

如今在实际的数字通信系统中，为了提高通信系统的利用率，常常采用多路复用的通信方式来传输信号。

多路通信就是指把由多个不同信源所发出的信号经过技术将其组合成一个群信号，并经由同一信道进行传输，在接收端采用相应的技术再将这些群信号分离接收。

常见的复用方式有：频分复用、时分复用以及码分复用。

时分复用就是一种应用非常广泛的多路复用的通信方式。

对于时分制多路电话通信系统，国际电信联盟（International Telecommunication Union, ITU）制定了两种准同步数字体系（Plesiochronous Digital Hierarchy,PDH）和两种同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy,SDH）的建议。

而ITU又提出两个PDH 体系的建议，即E体系和T体系，如今我国大陆使用的是PDH体系中的E体系。

1.2 QuartusⅡ软件随着电子技术的快速发展，无论是日常生活中的家用电器，还是军事、航天领域中，电子技术的应用已经渗透到生活的各个方面。

无处不在的电子应用需求，对电子技术的发展提出了更高的要求，从而电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)技术就随着集成电路和计算机技术发展的潮流应运而生。

EDA 技术是指以计算机为设计平台，融合了计算机技术、应用电子技术、信息处理及智能化技术的最新成果，设计者以计算机为工具，在EDA平台上，用硬件描述语言写成电路的设计工作，然后由计算机自动完成逻辑编译、化简、分割、优化、布局、布线和仿真，直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映像和编程下载等工作，是进行数字系统自动化设计的技术。

目前比较流行的EDA设计软件有Altera的QuartusⅡ，Xilink的ISE和Lattice 的ispEXPERT。

QuartusⅡ是Altera公司的综合性CPLD/FPGA开发软件，覆盖了CPLD/FPGA开发的整个流程。

它包含了整个可编程逻辑器件设计阶段的所有解决方案，提供了完整的图形用户界面，基于该工具，设计者们可以方便地完成数字系统设计的全过程。

在设计的过程中QuartusⅡ可以支持原理图、VHDL、Verilog HDL以及AHDL等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。

Quartus II不仅提供逻辑设计、综合、布局和布线、仿真验证、对器件编程等功能，而且还充分支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使得用户能够充分体验已经成熟化的模块，从而达到简化设计的复杂性和加快设计速度的目的。

此外，QuartusⅡ也可以与DSP Builder工具、Matlab/Simulink相结合，从而更加方便地实现各种DSP应用系统；QuartusⅡ同样也支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，它是集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体的一种综合性的开发环境平台。

利用开发软件和编程工具对FPGA、CPLD等可编程逻辑器件进行系统性的设计开发的流程如图2所示。

图2 Quartus Ⅱ软件开发流程1.3 FPGA的介绍可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)是一种半定制的集成电路，在其内部集成了大量的“与阵列”、“或阵列”和触发器等基本的电路单元，通过编程形成的网表文件，控制其内部的器件连接，获得所需要的电路设计。

目前可编程逻辑器件的两种主要类型有现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)。