單路語(yǔ)音數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱 通信原理 課題名稱 單路語(yǔ)音數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 2011年 12 月 7日湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)課程名稱 通信原理 題 目 單路數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)老師 審 批 任務(wù)書(shū)下達(dá)日期 2011年11月28日設(shè) 計(jì) 完成日期 2011年12月9日 設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求一、設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)單路語(yǔ)音數(shù)字通信系統(tǒng)，信道視為理想信道，語(yǔ)音編碼方式和調(diào)制方式不限。1、設(shè)計(jì)單路語(yǔ)音通信系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖與單元電路圖；2、利用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行調(diào)試。二、設(shè)計(jì)要求1、碼速率不超過(guò)64kb

2、/s；2、給出系統(tǒng)框圖以及單元電路圖，重要元器件的選擇和參數(shù)；主要設(shè)計(jì)條件通信原理實(shí)驗(yàn)箱一個(gè)；說(shuō)明書(shū)格式1. 課程設(shè)計(jì)封面；2. 任務(wù)書(shū)；3. 說(shuō)明書(shū)目錄；4. 設(shè)計(jì)基本原理與系統(tǒng)框圖。5. 各單元電路設(shè)計(jì)；6. 系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試結(jié)果；7. 總結(jié)與體會(huì)；8. 附錄；9. 參考文獻(xiàn)。進(jìn)度安排11月28日：下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，介紹課題內(nèi)容與要求； 11月29日：查找資料；11月30日12月2日：設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖、完成單元電路圖；12月3日5日：完成總電路圖；利用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行調(diào)試；12月6日8日：編寫(xiě)并打印設(shè)計(jì)報(bào)告；12月9日：答辯。參考文獻(xiàn)1、樊昌信主編，通信原理，國(guó)防工業(yè)出版社。2、南利平主編，通信原理簡(jiǎn)明教

3、程，清華大學(xué)出版社。 3、浣喜明，通信原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，湖南工程學(xué)院。 目 錄1. 系統(tǒng)概述11.1總體框架和原理11.2 2FSK調(diào)制和解調(diào)原理2調(diào)制部分2解調(diào)部分32 各單元電路設(shè)計(jì)42.1語(yǔ)音信號(hào)采集模塊42.2 AD采樣電路72.3 2FSK調(diào)制電路82FSK調(diào)制與解調(diào)的基本原理82FSK調(diào)制與解調(diào)的原理框圖82.4. 2FSK解調(diào)11 (a)帶通濾波器11 (b)包絡(luò)檢波器和抽樣判決器11 2.5 串行轉(zhuǎn)并行和DA轉(zhuǎn)換電路123 課程設(shè)計(jì)總結(jié)134. 參考文獻(xiàn)145. 附錄15一 系統(tǒng)概述：1.1總體框架和原理：要實(shí)現(xiàn)單路數(shù)字語(yǔ)音的通信，首先把模擬語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)抽樣、量化、編碼轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字

4、信號(hào)，編碼后再經(jīng)過(guò)調(diào)制，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，再將其解調(diào)，則模擬信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信號(hào)，再讓數(shù)字信號(hào)通過(guò)解碼轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，該過(guò)程即完成了單路數(shù)字語(yǔ)音的通信系統(tǒng)。其原理框圖如下所示：語(yǔ)音信號(hào)語(yǔ)音量化編碼解碼DA壓縮調(diào)制解調(diào) 圖1-1 單路數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)原理框圖在量化時(shí)可以采用均勻量化，也可以采用非均勻量化，均勻量化是在抽樣信號(hào)的取值范圍內(nèi)均勻劃分量化等級(jí)的量化方法。它產(chǎn)生的量化噪聲也是均勻的，與信號(hào)在取樣點(diǎn)的幅度無(wú)關(guān)。因此，均勻量化會(huì)出現(xiàn)話音弱時(shí)的信噪比低、干擾大，而話音強(qiáng)時(shí)的信噪比高、干擾小的反常情況。故本次課程設(shè)計(jì)采用非均勻量化。非均勻量化的具體辦法是壓縮、擴(kuò)張法，即在發(fā)送端對(duì)抽樣信號(hào)先

5、進(jìn)行壓縮處理再均勻量化，壓縮器特性曲線在小信號(hào)時(shí)的斜率大，大信號(hào)時(shí)的斜率小，使抽樣信號(hào)的小樣值部分被充分放大，大樣值部分被適當(dāng)壓縮。被壓縮的抽樣信號(hào)雖然再經(jīng)過(guò)均勻量化，但在接收端，解碼后的被壓縮量化抽樣信號(hào)之量化信噪比卻得到了均衡，故能在較高的信噪比下，用與壓縮器特性正好相反的擴(kuò)張器恢復(fù)被壓縮抽樣信號(hào)的本來(lái)面目。調(diào)制與解調(diào)有ASK，F(xiàn)SK，PSK和DPSK這四種基本的解調(diào)方法。在這里采用開(kāi)關(guān)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用2FSK非相干解調(diào)法（包絡(luò)檢波法）。開(kāi)關(guān)法是用一個(gè)受基帶脈沖控制的開(kāi)關(guān)電路去選擇兩個(gè)獨(dú)立頻率源的震蕩作為輸出。而對(duì)包絡(luò)檢波法，其判決準(zhǔn)則是比較兩個(gè)支路信號(hào)的大小，若支路上的信號(hào)包絡(luò)較大，

6、則判為收到“1”，反之則判為“0”。1.2. 2FSK調(diào)制和解調(diào)原理本課程設(shè)計(jì)采用2FSK方式進(jìn)行調(diào)制通信編碼。2FSK系統(tǒng)分調(diào)制和解調(diào)兩部分。調(diào)制部分2FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法主要有兩種。第一種是用二進(jìn)制基帶矩形脈沖信號(hào)去調(diào)制一個(gè)調(diào)頻器，如(a)圖所示，使其能夠輸出兩個(gè)不同頻率的碼元。第二種方法是用一個(gè)受基帶脈沖控制的開(kāi)關(guān)電路去選擇兩個(gè)獨(dú)立頻率源的振蕩作為輸出，如(b)圖所示。這兩種方法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)的波形基本相同，只有一點(diǎn)差異，即由調(diào)頻器產(chǎn)生的2FSK信號(hào)，在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)的，如(c)圖所示；而開(kāi)關(guān)法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)，則分別由兩個(gè)獨(dú)立的頻率源產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)，故相鄰碼元的相位

7、不一定是連續(xù)，如(d)圖所示。本次設(shè)計(jì)用鍵控法實(shí)現(xiàn)2FSK信號(hào)。 圖1-2調(diào)制原理 (c)相位連續(xù) (d)相位不連續(xù)圖1-3波形設(shè)置解調(diào)部分2FSK信號(hào)的接收主要分為相干和非相干接收兩類，本次設(shè)計(jì)采用非相干法(即包絡(luò)解調(diào)法)，其方框圖如下。用兩個(gè)窄帶的分路濾波器分別濾出頻率為和的高頻脈沖，經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波后分別取出它們的包絡(luò)。把兩路輸出同時(shí)送到抽樣判決器進(jìn)行比較，從而判決輸出基帶數(shù)字信號(hào)。帶通f1濾波器包絡(luò)檢波器器抽樣判決器2FSK包絡(luò)檢波器帶通f2濾波器 n(t) 圖1-4 FSK信號(hào)包絡(luò)解調(diào)方框圖設(shè)頻率代表數(shù)字信號(hào)1；代表數(shù)字信號(hào)0，則抽樣判決器的判決準(zhǔn)則：式中x1和x2分別為抽樣判決時(shí)刻兩個(gè)

8、包絡(luò)檢波器的輸出值。這里的抽樣判決器，要比較x1、x2的大小，或者說(shuō)把差值x1-x2與零電平比較。因此，有時(shí)稱這種比較判決器的判決電平為零電平。當(dāng)FSK信號(hào)為時(shí)，上支路相當(dāng)于接收“1”碼的情況，其輸出x1為正弦波加窄帶高斯噪聲的包絡(luò)，它服從萊斯分布。而下支路相當(dāng)于接收“0”碼的情況，輸出x2為窄帶高斯噪聲的包絡(luò)，它服從瑞利分布。如果FSK信號(hào)為，上、下支路的情況正好相反，此時(shí)上支路輸出的瞬時(shí)值服從瑞利分布，下支路輸出的瞬時(shí)值服從萊斯分布。無(wú)論輸出的FSK信號(hào)是或，兩路輸出的判決準(zhǔn)則不變，因此可以判決出FSK信號(hào)。二、各單元電路設(shè)計(jì)2.1語(yǔ)音信號(hào)采集模塊語(yǔ)音信號(hào)在轉(zhuǎn)換前首先要進(jìn)行放大，濾除相關(guān)噪

9、聲，以及要和AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電氣匹配的相關(guān)轉(zhuǎn)換。采集部分包括語(yǔ)音輸入，語(yǔ)音放大，前置濾波和ADC電路，其組成框圖如下：ADC直流電平抬升低通濾波器自舉式放大語(yǔ)音信號(hào) 話筒是語(yǔ)音輸入的常用設(shè)備，它將人說(shuō)話的聲音轉(zhuǎn)換成微小的電壓信號(hào)輸出，其峰-峰值最大為幾十毫伏。話筒的輸出阻抗因內(nèi)部傳感器不同而有較大的差異，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的輸入阻抗，用于放大語(yǔ)音的前置放大電路可以采用自舉式交流放大器。將放大后的語(yǔ)音信號(hào)送到A/D之前還需要進(jìn)行低通濾波器處理，以便去掉頻率高于3.4KHZ的干擾信號(hào)，防止產(chǎn)生采樣混疊現(xiàn)象，低通濾波器可采用二階巴特沃斯低通濾波器實(shí)現(xiàn)。其上限截止頻率可以略高于3.4KHZ，去4KHZ。

10、根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，ADC采樣率是8KHZ，采樣的位寬為8bit，可以用ADC0809進(jìn)行設(shè)計(jì)。ADC0809所允許的最大采樣速率10KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100us，能滿足設(shè)計(jì)要求。由于ADC0809的模擬輸入信號(hào)范圍為0-5V，所以語(yǔ)音信號(hào)放大器輸出信號(hào)的峰-峰值應(yīng)該不大于5V，同時(shí)還要將信號(hào)的直流電平進(jìn)行抬升，使之變成能被ADC芯片接受的單極性信號(hào)，由于濾波器輸出信號(hào)的直流電平為0，信號(hào)有正有負(fù)，故需將信號(hào)的直流電平從0抬升至2.5V，即ADC0809的模擬輸入信號(hào)范圍的中點(diǎn)。直流電平抬升可采用一個(gè)反相加法器和一個(gè)反相放大器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。綜上所述其電路如下：圖2-1自舉式交流放大電路圖2-2低

11、通濾波電路圖2-3 電流電壓抬升電路經(jīng)過(guò)上述的三個(gè)電路處理的語(yǔ)音信號(hào)才能被AD模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2.2 AD采樣電路量化后的信號(hào)，已經(jīng)是取值離散的數(shù)字信號(hào)。下一步的問(wèn)題是如何將這個(gè)數(shù)字信號(hào)編碼。量化最常用的編碼是用二進(jìn)制符號(hào)表示此離散數(shù)值，例如“0”和“1”。通常把從模擬信號(hào)抽樣，量化，直到變換成為二進(jìn)制符號(hào)的基本過(guò)程，稱為脈沖編碼調(diào)制PCM，簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制。脈沖調(diào)制就是把一個(gè)時(shí)間連續(xù)、取值連續(xù)的模擬信號(hào)變換成時(shí)間離散、取值離散的數(shù)字信號(hào)后在信道中傳輸。脈沖編碼調(diào)制就是對(duì)模擬信號(hào)先抽樣，再對(duì)樣值幅度量化、編碼的過(guò)程。抽樣即是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。該模擬信號(hào)

12、經(jīng)過(guò)抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說(shuō)能無(wú)失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。量化即是把經(jīng)過(guò)抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時(shí)抽樣值用最接近的電平值來(lái)表示。 一個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號(hào)，它僅為有限個(gè)數(shù)值。編碼即是用一組二進(jìn)制碼組來(lái)表示每一個(gè)有固定電平的量化值。然而，實(shí)際上量化是在編碼過(guò)程中同時(shí)完成的，故編碼過(guò)程也稱為模/數(shù)變換，可記作A/D。圖2-4并行轉(zhuǎn)串行電路ADC采樣后的數(shù)據(jù)時(shí)并行的8位，不便于進(jìn)行2FSK調(diào)制，因此要把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，使用74597芯片完成并行轉(zhuǎn)串行。2.3 2FSK調(diào)制電路2F

13、SK調(diào)制與解調(diào)的基本原理2FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法主要有兩種。第一種是用二進(jìn)制基帶矩形脈沖信號(hào)去調(diào)制一個(gè)調(diào)頻器，使其能夠輸出兩個(gè)不同頻率的碼元。第二種方法是用一個(gè)受基帶脈沖控制的開(kāi)關(guān)電路去選擇兩個(gè)獨(dú)立頻率源的震蕩作為輸出。這兩種方法產(chǎn)生的波形基本相同，只有一點(diǎn)差異，即由調(diào)頻器產(chǎn)生的2FSK信號(hào)在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)的；而開(kāi)關(guān)法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)，則分別由兩個(gè)獨(dú)立的頻率源產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的信號(hào)，故相鄰碼元的相位不一定是連續(xù)的。2FSK調(diào)制與解調(diào)的原理框圖2FSK是用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制載波的頻率。如果用數(shù)字信號(hào)來(lái)鍵控兩個(gè)不同的載波頻率，即信號(hào)的符號(hào)是用二進(jìn)制的基帶信號(hào)是用“0”和“1”電平來(lái)表示的。1

14、對(duì)應(yīng)于載波頻率F1,0對(duì)應(yīng)于F2。這種稱為二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）。而其振幅和初始相位不變。故其表示式為：式中，A振幅 (V)是個(gè)常數(shù)，表明碼元的包絡(luò)是矩形脈沖。w0= 2pf0，w1= 2pf1為兩個(gè)不同的頻率的碼元的角頻率；q為兩個(gè)碼元的初始相位相位 (rad)。鍵控法產(chǎn)生的FSK信號(hào)頻率穩(wěn)定度可以做得很高并且沒(méi)有過(guò)渡頻率，它的轉(zhuǎn)換速度快，波形好。我們?cè)谡n程設(shè)計(jì)中調(diào)制用的方法是開(kāi)關(guān)法,如下圖所示：圖 2-5 開(kāi)關(guān)法2FSK信號(hào)的解調(diào)方法有：包絡(luò)檢波法、相干解調(diào)法、鑒頻法、過(guò)零檢測(cè)法等，在這個(gè)課程設(shè)計(jì)里我們采用過(guò)零檢測(cè)法。過(guò)零檢測(cè)法的基本思想是數(shù)字調(diào)頻波的過(guò)零點(diǎn)數(shù)隨不同載波而異，故檢出過(guò)零

15、點(diǎn)數(shù)可以得到關(guān)于頻率的差異。輸入信號(hào)經(jīng)限幅后產(chǎn)生矩形波序列，經(jīng)微分整流后就形成與頻率相應(yīng)的脈沖序列。這個(gè)序列就代表著調(diào)頻波的過(guò)零點(diǎn)，將其變換成具有一定寬度的矩形波，并經(jīng)低通濾波濾除高次諧波，便能得到對(duì)應(yīng)于原數(shù)字信號(hào)的基帶脈沖信號(hào)，從而達(dá)到解調(diào)的目的其原理框圖如下所示：帶通濾波放大，限幅微分整流脈沖展寬低通 圖2-6 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法原理框圖 輸出2FSK是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式，也是數(shù)字通信中用得較廣的一種方式，它的主要優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好，適合中，低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。通常數(shù)據(jù)率在低于1200b/s時(shí)使用FSK方式。在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它也被廣泛采用。圖

16、2-7 2FSK信號(hào)調(diào)制圖2-8 FSK調(diào)制的兩個(gè)頻率產(chǎn)生2.4. 2FSK解調(diào)2FSK信號(hào)的解調(diào)方法有：包絡(luò)檢波法、相干解調(diào)法、鑒頻法、過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法等，在這個(gè)課程設(shè)計(jì)里我們采用包絡(luò)檢波法(a)帶通濾波器圖2-9 濾波電路此電路通過(guò)上、下兩個(gè)帶通濾波器，濾去帶外噪聲，濾除掉高次諧波并將校信號(hào)放大。上支路只準(zhǔn)許頻率為f1的高頻信號(hào)通過(guò)，下支路只準(zhǔn)許為的高頻信號(hào)通過(guò)。這里我們用放大器741和電容、電阻構(gòu)成。(b)包絡(luò)檢波器和抽樣判決器由窄帶濾波器輸出的高頻信號(hào)通過(guò)變?nèi)荻O管構(gòu)成的檢波器，包絡(luò)檢波器將各自的包絡(luò)取出至抽樣判決器，抽樣判決器在抽樣脈沖到達(dá)時(shí)對(duì)包絡(luò)的樣值和 (上邊路為V1,下邊路為)進(jìn)行

17、判決，判決準(zhǔn)則是當(dāng)抽樣值滿足判為頻率代表的數(shù)字基帶信號(hào)，即“1”碼；當(dāng)時(shí)判為頻率代表的數(shù)字基帶信號(hào)，即“0”碼。其電路設(shè)計(jì)圖如下：圖2-10 包絡(luò)檢波電路2.5 串行轉(zhuǎn)并行和DA轉(zhuǎn)換電路DAC0832是把并行輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬電路，所以首先應(yīng)該把串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行信號(hào)。74595芯片完成串行轉(zhuǎn)并行，DAC0832芯片還需要用放大器把電流信號(hào)變成電壓信號(hào)還原成原來(lái)的語(yǔ)音信號(hào)。圖 2-11 DA轉(zhuǎn)換電路三 .課程設(shè)計(jì)總結(jié)為期兩周的課程設(shè)計(jì)已接近尾聲，雖然有兩周的時(shí)間但感覺(jué)卻那么的短暫，每天都過(guò)得很充實(shí)。在這兩周的時(shí)間里，我收獲了很多，感觸也很多。剛拿到課程設(shè)計(jì)的任務(wù)書(shū)時(shí)，感覺(jué)很迷茫，有種無(wú)從下手

18、的感覺(jué)，因?yàn)樵诖酥?，仔?xì)看了下設(shè)計(jì)要求我就去圖書(shū)館借了幾本相關(guān)的資料，翻開(kāi)書(shū)看了下，了解設(shè)計(jì)的原理，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但老師都會(huì)給我們指導(dǎo)，遇到很難理解的地方，老師總是很耐心的給我們講解，經(jīng)過(guò)自己查找資料和老師的講解，于是慢慢的對(duì)軟件熟悉了，遇到一些問(wèn)題便自己反復(fù)的思考，解決不了的再和與同學(xué)們的討論，終于我逐漸明白了單路數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)原理，它由四個(gè)單元模塊組成：編碼，調(diào)制，解調(diào)，解碼。我選擇了PCM編碼和2FSK的調(diào)制和解調(diào)。在了解了這些單元電路的基本性質(zhì)和原理后，我就開(kāi)始逐步研究每個(gè)單元電路的組成。很快，每個(gè)單元模塊電路設(shè)計(jì)出來(lái)。課程設(shè)計(jì)其實(shí)并沒(méi)有我想象的那么難，當(dāng)我們遇到不懂的地方，只要自己能夠耐心的去弄明白，去翻書(shū)，掌握更系統(tǒng)的知識(shí)，答案在不知不覺(jué)中就出來(lái)了。這次的課程