單路語音數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計方案湖南工程學(xué)院

PAGEPAGE3目錄TOC\ｏ”1-3"\ｈ\ｚ\uHYPEＲＬIＮＫ2。2.32FＳK解調(diào)電路?11HYPERＬIＮK附錄?1４ＨYPERLINＫ\l”＿Tｏc3105９５２５8＂Ａ．2FＳK調(diào)制解調(diào)總原理圖?14HYPEＲLＩNK\l＂＿Tｏｃ3105９5２５9”Ｂ．TLC32０ＡD50的管腳說明表?15ＨYPEＲLIＮK\l”＿Tｏｃ３１0５９52６0”參考文獻(xiàn)?16第１章總體的設(shè)計思路概述1.1總體設(shè)計思路要實現(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，在將其解調(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)。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(guān)。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(shè)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)送端對抽樣信號先進(jìn)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(dāng)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(fù)被壓縮抽樣信號的本來面目。調(diào)制與解調(diào)有ASK，ＦSＫ,PSＫ和ＤＰSＫ這四種基本的解調(diào)方法.在這里采用開關(guān)法對信號進(jìn)行調(diào)制,用2FSK非相干解調(diào)法(包絡(luò)檢波法)。開關(guān)法是用一個受基帶脈沖控制的開關(guān)電路去選擇兩個獨立頻率源的震蕩作為輸出.而對包絡(luò)檢波法,其判決準(zhǔn)則是比較兩個支路信號的大小,若支路上的信號包絡(luò)較大,則判為收到“1”，反之則判為“０”。1．2原理框圖圖1。1單路數(shù)字語音通信的原理框圖在這個設(shè)計過程中，由于是理想的信道，就不需要考慮噪聲的影響，在設(shè)計中,把壓縮、量化、編碼的過程設(shè)計成為了一種模數(shù)的轉(zhuǎn)換，將解碼的過程設(shè)計為了數(shù)模的轉(zhuǎn)換,所以在這個整體的設(shè)計中總共涉及到模數(shù)轉(zhuǎn)化、調(diào)制、解調(diào)、數(shù)模轉(zhuǎn)化的過程。第２章各單元模塊的設(shè)計在這章中將要重點介紹模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換、調(diào)制、解調(diào)的原理和設(shè)計思路以及設(shè)計的原理圖。這個設(shè)計中，我把模數(shù)、數(shù)模的轉(zhuǎn)換兩個過程用了一個芯片來實現(xiàn)這些功能，調(diào)制、解調(diào)這里是采用了２FSＫ調(diào)制解調(diào)電路。2．1基于TＬC３20AD50的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路２．1．1TCL320ＡD50的介紹語音信號模數(shù)/HYPERＬINK”http:/／www．dzsc．ｃｏｍ／pｒｏduct／searｃｈfile/380２．html”＼ｔ"_blaｎk”數(shù)模轉(zhuǎn)換選擇HＹＰＥＲLＩＮK”http://www.ｄzsc.cｏm/ｉcｓtocｋ/100/ＴＬC３20AD５0．hｔmｌ"\t"_ｂlank”ＴＬC32０AD５0(以下簡稱AＤ５０)ＨYPＥRLＩNK＂http://www。dｚsc．com/prｏｄｕct/searchfｉle／６465。hｔml"＼t”＿blanｋ”芯片,AD５０使用過采樣(oversaｍｐlinｇ）∑—Δ技術(shù)提供從數(shù)字信號到模擬信號（DA)和模擬信號到數(shù)字信號(AＤ)的高分辨率低速信號轉(zhuǎn)換。該器件包括兩個串行的同步轉(zhuǎn)換通道（用于各自的數(shù)據(jù)傳輸），在DA之前有一個插人HYPＥRLＩNK”htｔp：//ｗww.dzsc。coｍ／ｐroducｔ／searchfile/10９5.hｔｍl”＼t"_ｂｌanｋ”濾波器（inＨYPＥＲＬINK＂hｔtp：／／ｗｗw.dzｓc。ｃom/prodｕｃt／ｓearcｈｆiｌe/103６6.ｈtml＂\ｔ"＿ｂlank”terpｏｌaＨYＰEＲＬIＮK”ｈttp://www。ｄzsc．ｃom/data/iccompany／ｄetａｉｌ２。hｔmｌ＂\ｔ”＿ｂｌａnｋ"ＴＩHYＰERLIＮK＂httｐ：／/wｗw.dｚｓｃ.coｍ/dａｔａ／ｉｃcompaｎｙ/deｔail12．htｍｌ＂\t"_blａnk”ＯNfilｔer）,在ＡD之后有一個抽?。萗ＰＥRLINK＂ｈttｐ：／/wｉｋｉ。dｚ/inｆｏ／1７50。hｔｍl”＼t”＿blank"濾波器（dｅcimdtionfilter),由此可降低AＤ5０自身的噪聲。此外,ＡD50還具有片內(nèi)時序和控制功能。ＡＤ５0特點如下.·輸入信號。單端信號輸人,幅度在１～4V之間?！ぽ敵鲂盘枴味诵盘栞敵?幅度在1～4Ｖ之間。·單一５VＨYPＥRLIＮＫ"hｔtp:/／ｗww．dzsc．cｏm/ｐｒoｄuｃｔ／sｅaｒchfiｌe/2９3７.htmｌ”＼t"_ｂｌａnk＂電源供電，也可以使用５V模擬HYPＥRLＩNＫ”http:／／wｉki.dｚｓ/info/1５．html＂＼t＂_ｂｌaｎｋ"電源和3VHＹPERＬINK＂hｔtp://wwｗ．dzｓc.ｃom／ｐrｏdｕｃｔ／seaｒchｆiｌe/19157。ｈｔmｌ”＼ｔ"＿bｌaｎk"數(shù)字電源同時供電.·最大工作功耗為１00ｍW?！ねㄓ?６位數(shù)據(jù)格式，也可以采用2的補碼數(shù)據(jù)格式?！?nèi)部基準(zhǔn)電壓?！Ｄ為６４倍采樣，ＤＡ為2５6倍采樣。·支持各種V。34協(xié)議的采樣速率?！ぞ哂卸喾N可選的采樣頻率。·支持商業(yè)級ＨYPEＲLINＫ”http：/／ｗww.dzsc.ｃom/produｃt/ｓｅaｒｃｈfｉｌｅ/1164０.htｍl”\ｔ”_ｂｌａnｋ”音響應(yīng)用?！すぷ鳒囟确秶鷱模?0~8５０。圖２。1TLC３20AD50的管腳排列AD5０控制寄存器的設(shè)置必須在二次通信中完成。AＤ５0有硬件和軟件兩種方式啟動二次通信，下面介紹硬仵方式啟動AＤ５０的二次通信過程。硬件啟動過程如下：C5409通過其內(nèi)部寄存器將XF引腳變?yōu)楦唠娖?，從而控制AD５0的FＣ引腳到高電平，然后向緩沖ＨYPERＬIＮK”ｈtｔp：//ｗww。dzsc．com/ｐroducｔ／sｅaｒchfiｌe/３７１3。hｔml"\t”＿bｌａｎk”串口寫一個16位的控制字，低8位是AD50的控制寄存器初始化值,高８位選擇所要初始化的控制寄存器及操作。圖2．2硬件啟動AD5０二次通信時序AD50的工作過程可分為AD通道工作過程和DA通道工作過程。AD通道把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并以2進(jìn)制補碼形式表示。當(dāng)幀同步信號有效時（FＳ為低電平）,16位（或者1５位)數(shù)字信號在SCLK的上升沿輸出到DＯUT引腳,一位數(shù)據(jù)對應(yīng)一個SCLＫ周期。AD５0的ＤＡ通道把送人的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。在SCLK的作用下，數(shù)字信號通過DIＮ引腳進(jìn)人ＤA通道，每個SＣLK的下降沿輸人一位數(shù)字信號。DＡ將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。2.１．2AD50外部連接電路AD5０的前后端信號處理包括兩個處理電路：輸人模擬信號的處理電路和依據(jù)輸出模擬信號的處理電路.這兩個處理電路的主要作用是將信號進(jìn)行處理，使之更加適合AＤ和DA的要求。為了達(dá)到更好的信號處理效果，AD５0的模擬信號輸人一般采用差分輸人方式,即使用兩個ＨＹPERLＩNK＂ｈtｔｐ：//ｗｗw。dzｓc。cｏm/proｄuct/seaｒchfiｌe／922.ｈtmｌ＂\t＂_blank”運算放大器,將單端輸入信號轉(zhuǎn)換成差分輸人信號，電路連接如圖所示。由圖可知,單端輸人信號經(jīng)過兩個２2μF的隔直HＹPEＲLＩNK”htｔp：//wｗw．ｄzsc．com／product/ｓｅarchfile／３81．htmｌ"＼ｔ"_ｂlａnｋ”電容，送人運算HYPERLＩNＫ"hｔtp：/／wｗw。ｄzsc．ｃｏｍ/ｐrodｕct/ｆile５0１.htｍl"\t”＿ｂｌanｋ＂放大器的反相端，輸出反相信號ＨYPERLINK”httｐ:／/wｗw.ｄzsc.ｃom／dａt(yī)a／iｃcoｍpａｎy／detaｉl7８。hｔml"\t”_bｌank"IＭP；ＩMP再輸人到另一個信號的反相端,輸出同相信號IＮP，從而形成差分輸人信號INP和IMP。圖中的運算放大器選擇的是TI公司的ＨYPERＬIＮＫ＂ｈｔtｐ：/／ｗwｗ。/stock－iｃ/ＴLC450２。ｈtml”＼t”_blａnk”TＬＣ45０２,也可以選用其他可替代的運算放大器芯片。圖2．3AD50單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號AＤ50的DA輸出為差分信號,可以直接驅(qū)動６0０Ω的負(fù)載。DA輸出處理電路如圖圖2．4ＡD50的DA后端輸出信號處理圖2.5ＡＤ50的去耦合電容的連接AD5０的模擬電源和數(shù)字電源可以使用一個ＨYPERLINK＂ｈｔtp:／/ｗｗw。ｄzsc．com／ｐroｄｕｃt／searｃｈfiｌｅ／２８3９。html"\t＂_ｂｌank"電感連接在一起圖2．6ＡD50模擬和數(shù)字電源的連接2。22ＦSK的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)電路2。2．1概述２FSＫ信號的產(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(guān)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(guān)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,故相鄰碼元的相位不一定是連續(xù),如(d)圖所示。本次設(shè)計用鍵控法實現(xiàn)2ＦＳＫ信號。圖2.72ＦＳK的兩種方法2FＳＫ信號的接收主要分為相干和非相干接收兩類，本次設(shè)計采用非相干法（即包絡(luò)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(luò)檢波后分別取出它們的包絡(luò)。把兩路輸出同時送到抽樣判決器進(jìn)行比較,從而判決輸出基帶數(shù)字信號。圖2。8ＦSＫ信號包絡(luò)解調(diào)方框圖設(shè)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(zhǔn)則：式中x1和ｘ2分別為抽樣判決時刻兩個包絡(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(dāng)FSK信號為時,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(zhǔn)則不變，因此可以判決出FＳK信號。2。2.22FＳＫ調(diào)制電路要將NRZ碼經(jīng)過2ＦSＫ調(diào)制成為２FＳK信號，我們采用一個受基帶脈沖控制的開關(guān)電路去選擇兩個獨立頻率源的振蕩作為輸出。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。時鐘脈沖產(chǎn)生和分頻器：圖2.９時鐘脈沖和分頻器晶振模塊由晶體409６和反相器74７4組成,其輸出一個矩形脈沖,矩形脈沖經(jīng)過分頻器７474,進(jìn)行一次分頻，把信號送給數(shù)字鍵控開關(guān)。一次分頻輸出的信號經(jīng)過二次分頻后，也送入數(shù)字鍵控開關(guān)，這樣兩個獨立的振蕩器就設(shè)計好了。因為要通過選擇不同頻率的高頻振蕩信號來實現(xiàn)ＦＳK的調(diào)制.所以我采用２個D觸發(fā)器74７4來進(jìn)行分頻。其中，Ｕ１A是進(jìn)行２分頻的操作，而將它的輸出信號作為第２個Ｄ觸發(fā)器的時鐘信號,所以U２A是進(jìn)行4分頻的操作.濾波電路和數(shù)字鍵控開關(guān):由于分頻器產(chǎn)生的信號存在干擾,必須設(shè)計濾波電路，濾去不需要的干擾成分。由芯片４05３構(gòu)成數(shù)字鍵控開關(guān),4０5３是一個三路二選一模擬開關(guān)，通過它對兩路輸入信號進(jìn)行輸出選擇，其功能表如下圖2.１0功能表圖2.11濾波電路和數(shù)字鍵控開關(guān)如果用數(shù)字信號（從４０5３-ABC端輸入）來鍵控兩個不同的載波頻率,即信號的符號是用二進(jìn)制的基帶信號是用“0”和“1"電平來表示的?！?"對應(yīng)于載波頻率,“０”對應(yīng)于。這種稱為二進(jìn)制頻移鍵控（2ＦSＫ）。而其振幅和初始相位不變。其表式為：式中,A-振幅()是個常數(shù),表明碼元的包絡(luò)是矩形脈沖，W1和Ｗ0為兩個不同的頻率的碼元的角頻率。2．2．3２ＦＳK解調(diào)電路2ＦSK信號的解調(diào)方法有：包絡(luò)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(shè)計里我們采用包絡(luò)檢波法。圖２。１2帶通濾波器此電路通過上、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(zhǔn)許頻率為f１的高頻信號通過，下支路只準(zhǔn)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.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(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)時對包絡(luò)的樣值和(上邊路為V１，下邊路為）進(jìn)行判決,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,即“1”碼；當(dāng)時判為頻率代表的數(shù)字基帶信號,即“0"碼。其電路設(shè)計圖如下：圖2。13包絡(luò)檢波器和抽樣判決器若發(fā)送端調(diào)制有“１",“0”信道噪聲是高斯白噪聲,則信道中傳輸時的為與高斯白噪聲的混合信號,即.此信號通過中心頻率的窄帶濾波器,輸出和窄帶高斯白噪聲混合信號;通過中心頻率的窄帶濾波器輸出是窄帶高斯白噪聲，注意上下兩路噪聲的中心頻率不同.上下兩路通過各自的包絡(luò)器進(jìn)行抽樣判決，若此時，判輸出“1”,這是正確接收；若噪聲使,判決輸出“0”，這是錯誤接收。這樣便能得到對應(yīng)于原數(shù)字信號的基帶脈沖信號,從而達(dá)到解調(diào)的目的。第3章心得體會剛開始,我們頭緒不是很清楚,不知道從哪里入手,但通過老師的耐心指導(dǎo)并和同學(xué)認(rèn)真研究設(shè)計課題，跑圖