單路語音數(shù)字通信系統(tǒng)設計

1、湖南工程學院課 程 設 計課程名稱 通信原理 課題名稱 單路語音數(shù)字通信系統(tǒng)設計 專 業(yè) 電子科學與技術 班 級 學 號 姓 名 指導教師 2011年 12 月 7日湖南工程學院課 程 設 計 任 務 書課程名稱 通信原理 題 目 單路數(shù)字語音通信系統(tǒng)的設計專業(yè)班級 學生姓名 學號： 指導老師 審 批 任務書下達日期 2011年11月28日設 計 完成日期 2011年12月9日 設計內(nèi)容與設計要求一、設計內(nèi)容：設計一個單路語音數(shù)字通信系統(tǒng)，信道視為理想信道，語音編碼方式和調(diào)制方式不限。1、設計單路語音通信系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖與單元電路圖；2、利用實驗箱進行調(diào)試。二、設計要求1、碼速率不超過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)；主要設計條件通信原理實驗箱一個；說明書格式1. 課程設計封面；2. 任務書；3. 說明書目錄；4. 設計基本原理與系統(tǒng)框圖。5. 各單元電路設計；6. 系統(tǒng)進行調(diào)試結(jié)果；7. 總結(jié)與體會；8. 附錄；9. 參考文獻。進度安排11月28日：下達設計任務書，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：設計系統(tǒng)框圖、完成單元電路圖；12月3日5日：完成總電路圖；利用實驗箱進行調(diào)試；12月6日8日：編寫并打印設計報告；12月9日：答辯。參考文獻1、樊昌信主編，通信原理，國防工業(yè)出版社。2、南利平主編，通信原理簡明教

3、程，清華大學出版社。 3、浣喜明，通信原理實驗指導書，湖南工程學院。 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 各單元電路設計42.1語音信號采集模塊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 課程設計總結(jié)134. 參考文獻145. 附錄15一 系統(tǒng)概述：1.1總體框架和原理：要實現(xiàn)單路數(shù)字語音的通信，首先把模擬語音信號通過抽樣、量化、編碼轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字

4、信號，編碼后再經(jīng)過調(diào)制，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號，再將其解調(diào)，則模擬信號解調(diào)成數(shù)字信號，再讓數(shù)字信號通過解碼轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，該過程即完成了單路數(shù)字語音的通信系統(tǒng)。其原理框圖如下所示：語音信號語音量化編碼解碼DA壓縮調(diào)制解調(diào) 圖1-1 單路數(shù)字語音通信系統(tǒng)原理框圖在量化時可以采用均勻量化，也可以采用非均勻量化，均勻量化是在抽樣信號的取值范圍內(nèi)均勻劃分量化等級的量化方法。它產(chǎn)生的量化噪聲也是均勻的，與信號在取樣點的幅度無關。因此，均勻量化會出現(xiàn)話音弱時的信噪比低、干擾大，而話音強時的信噪比高、干擾小的反常情況。故本次課程設計采用非均勻量化。非均勻量化的具體辦法是壓縮、擴張法，即在發(fā)送端對抽樣信號先

5、進行壓縮處理再均勻量化，壓縮器特性曲線在小信號時的斜率大，大信號時的斜率小，使抽樣信號的小樣值部分被充分放大，大樣值部分被適當壓縮。被壓縮的抽樣信號雖然再經(jīng)過均勻量化，但在接收端，解碼后的被壓縮量化抽樣信號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張器恢復被壓縮抽樣信號的本來面目。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。在這里采用開關法對信號進行調(diào)制，用2FSK非相干解調(diào)法（包絡檢波法）。開關法是用一個受基帶脈沖控制的開關電路去選擇兩個獨立頻率源的震蕩作為輸出。而對包絡檢波法，其判決準則是比較兩個支路信號的大小，若支路上的信號包絡較大，

6、則判為收到“1”，反之則判為“0”。1.2. 2FSK調(diào)制和解調(diào)原理本課程設計采用2FSK方式進行調(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信號的產(chǎn)生方法主要有兩種。第一種是用二進制基帶矩形脈沖信號去調(diào)制一個調(diào)頻器，如(a)圖所示，使其能夠輸出兩個不同頻率的碼元。第二種方法是用一個受基帶脈沖控制的開關電路去選擇兩個獨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信號的波形基本相同，只有一點差異，即由調(diào)頻器產(chǎn)生的2FSK信號，在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)的，如(c)圖所示；而開關法產(chǎn)生的2FSK信號，則分別由兩個獨立的頻率源產(chǎn)生不同頻率的信號，故相鄰碼元的相位

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

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

9、聲，以及要和AD轉(zhuǎn)換電路進行電氣匹配的相關轉(zhuǎn)換。采集部分包括語音輸入，語音放大，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音信號 話筒是語音輸入的常用設備，它將人說話的聲音轉(zhuǎn)換成微小的電壓信號輸出，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，為了提高整個系統(tǒng)的輸入阻抗，用于放大語音的前置放大電路可以采用自舉式交流放大器。將放大后的語音信號送到A/D之前還需要進行低通濾波器處理，以便去掉頻率高于3.4KHZ的干擾信號，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進行設計。ADC0809所允許的最大采樣速率10KHZ，轉(zhuǎn)換時間約為100us，能滿足設計要求。由于ADC0809的模擬輸入信號范圍為0-5V，所以語音信號放大器輸出信號的峰-峰值應該不大于5V，同時還要將信號的直流電平進行抬升，使之變成能被ADC芯片接受的單極性信號，由于濾波器輸出信號的直流電平為0，信號有正有負，故需將信號的直流電平從0抬升至2.5V，即ADC0809的模擬輸入信號范圍的中點。直流電平抬升可采用一個反相加法器和一個反相放大器級聯(lián)實現(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)過上述的三個電路處理的語音信號才能被AD模塊進行轉(zhuǎn)換。2.2 AD采樣電路量化后的信號，已經(jīng)是取值離散的數(shù)字信號。下一步的問題是如何將這個數(shù)字信號編碼。量化最常用的編碼是用二進制符號表示此離散數(shù)值，例如“0”和“1”。通常把從模擬信號抽樣，量化，直到變換成為二進制符號的基本過程，稱為脈沖編碼調(diào)制PCM，簡稱脈碼調(diào)制。脈沖調(diào)制就是把一個時間連續(xù)、取值連續(xù)的模擬信號變換成時間離散、取值離散的數(shù)字信號后在信道中傳輸。脈沖編碼調(diào)制就是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化、編碼的過程。抽樣即是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號

12、經(jīng)過抽樣后還應當包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復原模擬信號。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)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。 一個模擬信號經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個數(shù)值。編碼即是用一組二進制碼組來表示每一個有固定電平的量化值。然而，實際上量化是在編碼過程中同時完成的，故編碼過程也稱為模/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)時并行的8位，不便于進行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信號的產(chǎn)生方法主要有兩種。第一種是用二進制基帶矩形脈沖信號去調(diào)制一個調(diào)頻器，使其能夠輸出兩個不同頻率的碼元。第二種方法是用一個受基帶脈沖控制的開關電路去選擇兩個獨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，只有一點差異，即由調(diào)頻器產(chǎn)生的2FSK信號在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)的；而開關法產(chǎn)生的2FSK信號，則分別由兩個獨立的頻率源產(chǎn)生兩個不同頻率的信號，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)字信號去調(diào)制載波的頻率。如果用數(shù)字信號來鍵控兩個不同的載波頻率，即信號的符號是用二進制的基帶信號是用“0”和“1”電平來表示的。1

14、對應于載波頻率F1,0對應于F2。這種稱為二進制頻移鍵控（2FSK）。而其振幅和初始相位不變。故其表示式為：式中，A振幅 (V)是個常數(shù)，表明碼元的包絡是矩形脈沖。w0= 2pf0，w1= 2pf1為兩個不同的頻率的碼元的角頻率；q為兩個碼元的初始相位相位 (rad)。鍵控法產(chǎn)生的FSK信號頻率穩(wěn)定度可以做得很高并且沒有過渡頻率，它的轉(zhuǎn)換速度快，波形好。我們在課程設計中調(diào)制用的方法是開關法,如下圖所示：圖 2-5 開關法2FSK信號的解調(diào)方法有：包絡檢波法、相干解調(diào)法、鑒頻法、過零檢測法等，在這個課程設計里我們采用過零檢測法。過零檢測法的基本思想是數(shù)字調(diào)頻波的過零點數(shù)隨不同載波而異，故檢出過零

15、點數(shù)可以得到關于頻率的差異。輸入信號經(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的脈沖序列。這個序列就代表著調(diào)頻波的過零點，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，便能得到對應于原數(shù)字信號的基帶脈沖信號，從而達到解調(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 過零點檢測法原理框圖 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)點是：實現(xiàn)起來較容易，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谩Ｍǔ?shù)據(jù)率在低于1200b/s時使用FSK方式。在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)時，它也被廣泛采用。圖

16、2-7 2FSK信號調(diào)制圖2-8 FSK調(diào)制的兩個頻率產(chǎn)生2.4. 2FSK解調(diào)2FSK信號的解調(diào)方法有：包絡檢波法、相干解調(diào)法、鑒頻法、過零點檢測法等，在這個課程設計里我們采用包絡檢波法(a)帶通濾波器圖2-9 濾波電路此電路通過上、下兩個帶通濾波器，濾去帶外噪聲，濾除掉高次諧波并將校信號放大。上支路只準許頻率為f1的高頻信號通過，下支路只準許為的高頻信號通過。這里我們用放大器741和電容、電阻構(gòu)成。(b)包絡檢波器和抽樣判決器由窄帶濾波器輸出的高頻信號通過變?nèi)荻O管構(gòu)成的檢波器，包絡檢波器將各自的包絡取出至抽樣判決器，抽樣判決器在抽樣脈沖到達時對包絡的樣值和 (上邊路為V1,下邊路為)進行

17、判決，判決準則是當抽樣值滿足判為頻率代表的數(shù)字基帶信號，即“1”碼；當時判為頻率代表的數(shù)字基帶信號，即“0”碼。其電路設計圖如下：圖2-10 包絡檢波電路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，所以首先應該把串行信號轉(zhuǎn)換成并行信號。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變成電壓信號還原成原來的語音信號。圖 2-11 DA轉(zhuǎn)換電路三 .課程設計總結(jié)為期兩周的課程設計已接近尾聲，雖然有兩周的時間但感覺卻那么的短暫，每天都過得很充實。在這兩周的時間里，我收獲了很多，感觸也很多。剛拿到課程設計的任務書時，感覺很迷茫，有種無從下手

18、的感覺，因為在此之前，仔細看了下設計要求我就去圖書館借了幾本相關的資料，翻開書看了下，了解設計的原理，所以經(jīng)常會出現(xiàn)問題，但老師都會給我們指導，遇到很難理解的地方，老師總是很耐心的給我們講解，經(jīng)過自己查找資料和老師的講解，于是慢慢的對軟件熟悉了，遇到一些問題便自己反復的思考，解決不了的再和與同學們的討論，終于我逐漸明白了單路數(shù)字語音通信系統(tǒng)原理，它由四個單元模塊組成：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，我就開始逐步研究每個單元電路的組成。很快，每個單元模塊電路設計出來。課程設計其實并沒有我想象的那么難，當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，掌握更系統(tǒng)的知識，答案在不知不覺中就出來了。這次的課程