时分复用通信系统设计

目录第一章摘要 (1)第二章总体设计原理 (2)2.1 PCM编码原理 (2)2.2 PCM原理框图 (3)2.3 时分复用原理 (4)第三章单元电路的设计 (6)3.1信号源系统模块 (6)3.2 PCM编码器模块 (7)3.3帧同步模块 (9)3.4位同步模块 (10)3.5 PCM分接译码模块 (12)3.6系统仿真模型 (14)第四章总结与体会 (15)第一章摘要SystemView是具有强大功能基于信号的用于通信系统的动态仿真软件，可以满足从底层到高层不同层次的设计、分析使用。

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。

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把若干个不同通道（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，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 总体设计原理2.1 PCM 编码原理脉冲编码调制是把模拟信号数字化传输的基本方法之一，它通过抽样、量化和编码，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。

信号先经过防混叠低通滤波器，得到限带信号（300Hz ～3400Hz ），进行脉冲抽样，变成8KHz 重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM 信号），然后将幅度连续的PAM 信号用“四舍五入”办法量化为有限个幅度取值的信号，再经编码，转换成二进制码。

（a ）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。

（b ）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2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。

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：AX A Ax y 10,ln 1≤<+= 11,ln 1ln 1<≤++=X AA Ax y （c ）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。

2.2 PCM 原理框图图2.1 PCM 原理框图2.3 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。

图2.2 时分复用示意图这个通信系统主要用4个电路实现，它们分别是定时器电路，PCM编译码电路，复接电路，语音处理电路。

定时器电路由晶振，分频器及时隙同步信号（抽样信号）构成，它为两个PCM编译码电路提供时钟信号和时隙同步信号，PCM编译码部分采用芯片TP3057在时钟信号和对语音进行编码和译码。

在编码时将语音信号转变为数字信号然后帧同步信号发生器电路提供帧同步码1110010和两路数字语音信号复接，形成一帧PCM信号。

在这个PCM信号中有29个是空时隙，两路数字语音信号各占一个时隙。

在译码之前不需要对PCM进行分接处理，译码器的时隙同步信号可对信号分路实现分接。

语音信号A，B通过麦克风输出幅度比较小，需放大到再送到PCM编码器。

接入的PCM译码器输出信号RA，RB幅度较大，需衰减到适当值后再送给听筒，因此需要分别加入两个语音处理信号电路。

具体整个系统的原理图方框图如图2.3所示。

图2.3两路语音的PCM全双工通信原理方框图．第三章单元电路的设计3.1信号源系统模块信号源由两路信号组成：第一路由两个幅度相同、频率分别为1400Hz、2700Hz的正弦信号合成，第二路是高斯白噪声信号，然后两路语音信号分别经过两个截止频率3000Hz低通滤波器如下图所示:图3.1 信号源其波形图如下图3.2两路语音信号波形图3.2 PCM编码器模块如图3.3所示为PCM编码子系统模块，它主要由晶振、分频器、帧同步信号产生器、扩张器、模数转换器、八选一器件、三选一器件组成。

经过压缩的两路语音信号分别输入到两个压缩器（图符275、图符276）中，再经过模数转换器变成两路数字信号，加上由图符250产生的帧同步码11110010，这三路数字信号分别经过八选一（图符247、图符255、图符256）变成串行信号，由四分频、八分频和十六分频来控制，然后将这三路数字信号送入八选一（图符260）中，由三选一波形控制（图符261、图符262、图符263、图符264）把这三个数字信号放在一个PCM合路信号的不同时隙上。

晶振是图符245，即脉宽为5e-6秒的周期性方波，由此我们可以算出位同步信号的频率为5e+5Hz，即位同步信号的周期为2e-6秒。

三选一波形控制是用两个D触发器组成的，参数使用默认值。

图符251,257,258,265为自定义函数信号发生器，在此的作用均为为八选一和D触发器输入使能信号。

分频器后面有的加有一个非门，这是根据具体电路特点而加上的，使得八选一电路会按由低到高的顺序在输入端的数据输出。

图3.3 PCM编码器由下图可看出帧同步码为11110010。

图3.4 帧同步信号图3.5 第一路与第二路PCM信号帧同步、两路语音信号经PCM编码后在复接得到信号如下图所示：图3.6 合路信号3.3 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3.4所示。

当基带信号里的帧同步码（巴克码）输入时，识别器就会发出判别信号P，P的上升沿的最后一位帧同步码的结束时刻到齐。

÷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 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。

同步器最终输出帧同步信号FS-OUT是由同步保护器中的与门3对单稳输出的信号以及状态触发器的Q端输出信号进行“与”运算得到的。

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打开单稳态信号通过与门2后输入到3÷电路的输出信号使得状态触发器置“0”从而关闭与÷电路，3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。