脉冲编码调制PCM编译码语音传输系统Word格式.docx

脉冲编码调制PCM编译码语音传输系统Word格式.docx

《脉冲编码调制PCM编译码语音传输系统Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《脉冲编码调制PCM编译码语音传输系统Word格式.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

设计内容

设计时间

第一周

学习PCM编译码知识，查阅资料

2011.8.29～2011.9.2

第二周

硬件电路实现，焊接电路及调试

2011.9.5～2011.9.9

第三周

编写设计说明书、答辩、评定成绩

2011.9.12～2011.9.16

五、指导教师评语及学生成绩

指导教师评语：

年月日

成绩

指导教师（签字）：

第1章PCM编译码原理

PCM是实现语音信号数字化的一种方法。

一语音信号的数字化语音信号是连续变化的模拟信号，实现语音信号的数字化必须经过抽样、量化和编码三个过程。

1、抽样

把连续信号变为时间轴上离散的信号的过程称为抽样。

抽样必须遵循奈奎斯特抽样定理，离散信号才可以完全代替连续信号。

低通连续信号抽样定理内容：

一个频带限制在赫内的时间连续信号,若以的间隔对它进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。

语音信号经过抽样变成一种脉冲幅度调制（PAM）信号。

2、量化

把幅度连续变化的模拟量变成用有限位二进制数字表示的数字量的过程称为量化。

量化误差：

量化后的信号和抽样信号的差值。

量化误差在接收端表现为噪声，称为量化噪声。

量化级数越多误差越小，相应的二进制码位数越多，要求传输速率越高，频带越宽。

为使量化噪声尽可能小而所需码位数又不太多，通常采用非均匀量化的方法进行量化。

非均匀量化根据幅度的不同区间来确定量化间隔，幅度小的区间量化间隔取得小，幅度大的区间量化间隔取得大。

非均匀量化的实现方法有两种：

一种是北美和日本采用的μ律压扩，一种是欧洲和我国采用的A律压扩。

在PCM-30/32通信设备中，采用A律13折线的分段方法，具体是：

Y轴均匀分为8段，每段均匀分为16份，每份表示一个量化级，则Y轴一共有16×

8＝128个量化级。

；

X轴采用非均匀划分来实现非均匀量化的目的，划分规律是每次按二分之一来进行分段。

由于分成128个量化级，故有7位二进制码（27＝128），又因为Y轴有正值和负值之分，需加一位极性码，故共有8位二进制码。

3、编码

在实际的PCM设备中，量化和编码是一起进行的。

通信中采用高速编码方式。

编码器分为逐次反馈型、折叠级联型和混合型三种，在PCM-30/32通信设备中通常采用逐次反馈型的编码器。

4、时分复用

所谓时分复用，是将某一信道按时间加以分割，各路信号的抽样值依一定的顺序占用某一时间间隔（也成时隙），即多路信号利用同一信道在不同的时间进行各自独立的传输。

时分复用的特点：

（1）复用设备内部各通路的部件基本通用;

（2）要求收、发两端同时工作，要求有良好的同步系统。

时分复用的目的：

一个信道传输多路信号，即若干路信号可以采用时分复用方式以一定的结构形式复接成一路高速率的复合数字信号－群路信号。

数字复接包括bit复接和码组复接。

PCM-30/32路通信设备是采用码组复接的时分复用系统。

帧周期T=1/8000秒＝125us,将其平均分成32个时隙，每个时隙的时间间隔为125/32＝3.91us，每一时隙传送8位编码，每个码的时间间隔为3.91us/8=488ns，每帧共传送32×

8＝256位码字。

在30/32路PCM系统中，帧结构中第一个时隙TS0用于传送帧同步信号，TS16用于传送话路信令，故只有30个时隙用于传送话音信号，所以只能提供30个话路。

当采用共路信令传送方式时，必须将16帧再构成一个更大的帧，称为复帧。

复帧的重复频率为500Hz，周期为2ms。

目前数字电话都采用PCM方式。

对PCM系统，国际上采用PDH

（准同步）复接技术。

PCM帧结构图如图1-1所示。

图1-1PCM帧结构图

此技术有两种制式，一种是北美和日本采用的24路话音信号复接成一个基群的T制，速率是1554kbit/s;

一种是欧洲和我国采用的30/32路话音信号复接成一个基群的E制，速率为2048kbit/s。

为了进一步提高信道利用率，国际电联规定四个基群复接成一个二次群，四个二次群复接成一个三次群，四个三次群复接成一个四次群。

PDH系列存在诸如传输速率、帧结构和光纤接口等无世界性规范，逐级复用插入分支不灵活等问题，不能适应现代电信网的发展需要。

5、A律与μ律的压缩特性及PCM编码方式

为解决均匀量化时小信号量化误差大、音质差的问题，在实际中采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法，即量化特性在小信号时分层密、量化间隔小，而在大信号时分层疏、量化间隔大，如图1-2所示。

图1-2A律与μ律的压缩特性

第2章PCM编译码语音传输系统元器件说明

2.1TP3057芯片

2.1.1TP3057引脚

本模块是A律PCM编译码集成电路TP3057，它是CMOS工艺制造的专用大规模集成电路，片内带有输出输入话路滤波器，其引脚如图2-1。

图2-1TP3057引脚图

引脚功能如下：

（1）V一接-5V电源。

（2）GND接地。

（3）VFRO接收部分滤波器模拟信号输出端。

（4）V+接+5V电源。

（5）FSR接收部分帧同信号输入端，此信号为8KHz脉冲序列。

（6）DR接收部分PCM码流输入端。

（7）BCLKR/CLKSEL接收部分位时钟（同步）信号输入端，此信号将PCM码流在FSR上升沿后逐位移入DR端。

位时钟可以为64KHz到2.048MHz的任意频率，或者输入逻辑“1”或“0”电平器以选择1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz用作同步模式的主时钟，此时发时钟信号BCLKX同时作为发时钟和收时钟。

（8）MCLKR/PDN接收部分主时钟信号输入端，此信号频率必须为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。

可以和MCLKX异步，但是同步工作时可达到最佳状态。

当此端接低电平时，所有的内部定时信号都选择MCLKX信号，当此端接高电平时，器件处于省电状态。

（9）MCLKX发送部分主时钟信号输入端，此信号频率必须为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。

可以和MCLKR异步，但是同步工作时可达到最佳状态。

（10）BCLKX发送部分位时钟输入端，此信号将PCM码流在FSX信号上升沿后逐位移出DX端，频率可以为64KHz到2.04MHz的任意频率，但必须与MCLKX同步。

内部框图如图2-2所示。

图2-2TP3057内部方框图

（11）DX发送部分PCM码流三态门输出端。

（12）FSX发送部分帧同步信号输入端，此信号为8KHz脉冲序列。

（13）TSX漏极开路输出端，在编码时隙输出低电平。

（14）GSX发送部分增益调整信号输入端。

（15）VFXi-发送部分放大器反向输入端。

（16）VFXi＋发送部分放大器正向输入端。

2.1.2TP3057功能

TP3057由发送和接收两部分组成，其功能简述如下。

发送部分：

包括可调增益放大器、抗混淆滤波器、低通滤波器、高通滤波器、压缩A/D转换器。

抗混淆滤波器对采样频率提供30dB以上的衰减从而避免了任何片外滤波器的加入。

低通滤波器是5阶的、时钟频率为128MHz。

高通滤波器是3阶的、时钟频率为32KHz。

高通滤波器的输出信号送给阶梯波产生器（采样频率为8KHz）。

阶梯波产生器、逐次逼近寄存器（S·

A·

R）、比较器以及符号比特提取单元等4个部分共同组成一个压缩式A/D转换器。

S·

R输出的并行码经并/串转换后成PCM信号。

参考信号源提供各种精确的基准电压，允许编码输入电压最大幅度为5VP-P。

发帧同步信号FSX为采样信号。

每个采样脉冲都使编码器进行两项工作：

在8比特位同步信号BCLKX的作用下，将采样值进行8位编码并存入逐次逼近寄存器；

将前一采样值的编码结果通过输出端DX输出。

在8比特位同步信号以后，DX端处于高阻状态。

接收部分：

包括扩张D/A转换器和低通滤波器。

低通滤波器符合AT&

TD3/D4标准和CCITT建议。

D/A转换器由串/并变换、D/A寄存器组成、D/A阶梯波形成等部分构成。

在收帧同步脉冲FSR上升沿及其之后的8个位同步脉冲BCLKR作用下，8比特PCM数据进入接收数据寄存器（即D/A寄存器），D/A阶梯波单元对8比特PCM数据进行D/A变换并保持变换后的信号形成阶梯波信号。

此信号被送到时钟频率为128KHz的开关电容低通滤波器，此低通滤波器对阶梯波进行平滑滤波并对孔径失真（sinx）/x进行补尝。

在通信工程中，主要用动态范围和频率特性来说明PCM编译码器的性能。

动态范围的定义是译码器输出信噪比大于25dB时允许编码器输入信号幅度的变化范围。

PCM编译码器的动态范围应大于图1-6所示的CCITT建议框架（样板值）。

当编码器输入信号幅度超过其动态范围时，出现过载噪声，故编码输入信号幅度过大时量化信噪比急剧下降。

TP3057编译码系统不过载输入信号的最大幅度为5VP-P。

由于采用对数压扩技术，PCM编译码系统可以改善小信号的量化信噪比，TP3057采用A律13折线对信号进行压扩。

当信号处于某一段落时，量化噪声不变（因在此段落内对信号进行均匀量化），因此在同一段落内量化信噪比随信号幅度减小而下降。

13折线压扩特性曲线将正负信号各分为8段，第1段信号最小，第8段信号最大。

当信号处于第一、二段时，量化噪声不随信号幅度变化，因此当信号太小时，量化信噪比会小于25dB，这就是动态范围的下限。

TP3057编译码系统动态范围内的输入信号最小幅度约为0.025Vp-p。

常用1KHz的正弦信号作为输入信号来测量PCM编译码器的动态范围。

语音信号的抽样信号频率为8KHz，为了不发生频谱混叠，常将语音信号经截止频率为3.4KHz的低通滤波器处理后再进行A/D处理。

语音信号的最低频率一般为300Hz。

TP3057编码器的低通滤波器和高通滤波器决定了编译码系统的频率特性，当输入信号频率超过这两个滤波器的频率范围时，译码输出信号幅度迅速下降。

这就是PCM编译码系统频率特性的含义。

2.2LM358芯片

2.2.1LM358引脚

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

LM358引脚如图2-3所示。

图2-3LM358引脚功能图

2.2.2LM358的特点

LM358有如下特点：

内部频率补偿，低输入偏流，低输入失调电压和失调电流，共模输入电压范围宽，包括接地，差模输入电压范围宽，等于电源电压范围，直流电压增益高（约100dB），单位增益频带宽（约1MHz），电源电压范围宽：

单电源（3—30V），双电源（±

1.5一±

15V），低功耗电流，适合于电池供电，输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）。

LM358参数：

输入偏置电流45nA，输入失调电流50nA，输入失调电压2.9mV，输入共模电压最大值VCC~1.5V，共模抑制比80dB，电源抑制比100dB。

2.374LS74双上升沿D触发器

2.3.174LS74引脚

74LS74为带预置和清除端的两组D型触发器，共有54/7474、54/74H74、54/74S74、54/74LS74四种线路结构形式引脚如图2-4所示。

图2-474LS74引脚图

边沿D触发器：

负跳沿触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。

如果在CP高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。

而边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。

这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。

边沿D触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。

电路结构：

该触发器由6个与非门组成，其中G1和G2构成基本RS触发器。

2.3.274LS74功能介绍

74LS74工作原理：

SD和RD接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。

当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q=0，即触发器置1；

当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。

我们设它们均已加入了高电平，不影响电路的工作。

工作过程如下：

（1）CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。

同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5=D。

（2）当CP由0变1时触发器翻转。

这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。

Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。

由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。

（3）触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。

这是因为G3和G4打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的,即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；

该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用,故该反馈线称为置0维持线,置1阻塞线。

Q4为0时，将G3和G6封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。

Q4输出端至G6反馈线起到使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线；

Q4输出至G3输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用,称为置0阻塞线。

因此，该触发器常称为维持-阻塞触发器。

总之，该触发器是在CP正跳沿前接受输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。

与主从触发器相比,同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。

2.474LS164八位移位寄存器

74LS164是8位移位寄存器，当其中一个（或二个）选通串行输入端的低电平禁止进入新数据，并把第一个触发器在下一个时钟脉冲来后复位到低电平时，门控串行输入端（A和B）可完全控制输入数据。

一个高电平输入后就使另一个输入端赋能，这个输入就决定了第一个触发器的状态。

虽然不管时钟处于高电平或低电平时，串行输入端的数据都可以被改变，但只有满足建立条件的信息才能被输入。

时钟控制发生在时钟输入由低电平到高电平的跃变上。

为了减小传输线效应，所有输入端均采用二极管钳位。

164为8位移位寄存器其主要电特性的典型值如下：

型号fmPn，54/7416436MHz185mW，54/74LS16436MHz80mW，当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。

串行数据输入端（A，B）可控制数据。

当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。

当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。

引出端符号，CLOCK时钟输入端，CLEAR同步清除输入端（低电平有效），A，B串行数据输入端，QA－QH输出端。

引脚如图2-5所示。

图2-574LS164引脚图

2.574LS04六反相器

74LS04为六组反向器，共有54/7404、54/74H04、54/74S04、54/74LS04四种线路结构形式，引出端符号：

1A－6A输入端，1Y－6Y输出端。

引脚如图2-6所示。

图2-674LS04引脚图

2.674LS08四二输入与门

74LS08为四端二输入与门，引出端符号1A-4A/1B-4B输入端，1Y-4Y输出端。

引脚如图2-7所示。

图2-774LS08引脚图

2.774LS32四二输入或门

74LS32是四2输入或门，常用在各种数字电路以及单片机系统中。

表达式为：

Y=A+B。

引脚如图2-8所示。

图2-874LS32引脚图

2.874LS193四位二进制同步加/减计数器

193为可预置的四位二进制同步加/减计数器，共有54193/74193，54LS193/74LS193两种线路结构形式。

其主要电特性的典型值如下：

193的清除端是异步的。

当清除端（CLEAR）为高电平时，不管时钟端（CDOWN、CUP）状态如何，即可完成清除功能。

193的预置是异步的。

当置入控制端（LOAD）为低电平时，不管时钟（CDOWN、CUP）的状态如何，输出端（QA－QD）即可预置成与数据输入端（A－D）相一致的状态。

193的计数是同步的，靠CDOWN、CUP同时加在4个触发器上而实现。

在CDOWN、CUP上升沿作用下QA－QD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。

当进行加计数或减计数时可分别利用CDOWN或CUP，此时另一个时钟应为高电平。

当计数上溢出时，进位输出端（CARRY）输出一个低电平脉冲，其宽度为CUP低电平部分的低电平脉冲；

当计数下溢出时，错位输出端（BORROW）输出一个低电平脉冲，其宽度为CDOWN低电平部分的低电平脉冲。

当把BORROW和CARRY分别连接后一级的CDOWN、CUP，即可进行级联。

引脚如图2-9所示。

图2-974LS193引脚图

2.9CD4512八选一数据选择器

CD4512是具有三态输出功能的CMOS八选一数据选择器。

D7~D0为8个数据输入端，F为数据输出端，A2A1A0是地址选择输入端。

E/OE为允许输入端。

引脚如图2-10所示。

图2-10CD4512引脚图

第3章PCM编译码语音传输系统电路设计

3.1焊接与元器件布局

3.1.1电路焊接

1、焊接方法

焊接，检查，剪短。

（1）右手持电烙铁。

左手用尖嘴钳或镊子夹持元件或导线。

焊接前，电烙铁要充分预热。

烙铁头刃面上要吃锡，即带上一定量焊锡。

（2）将烙铁头刃面紧贴在焊点处。

电烙铁与水平面大约成60℃角。

以便于熔化的锡从烙铁头上流到焊点上。

烙铁头在焊点处停留的时间控制在2～3秒钟。

（3）抬开烙铁头。

左手仍持元件不动。

待焊点处的锡冷却凝固后，才可松开左手。

（4）用镊子转动引线，确认不松动，然后可用偏口钳剪去多余的引线。

2、焊接质量

焊接时，要保证每个焊点焊接牢固、接触良好。

要保证焊接质量。

应是锡点光亮，圆滑而无毛刺，锡量适中。

锡和被焊物融合牢固。

不应有虚焊和假焊。

3.1.2元器件布局

电路板是47*100孔格局，电阻占据4个小孔，电容占据3个小孔，晶振占据3个小孔，二极管占据2个小孔，芯片一律先焊接插座，尽量做到不跳线或者尽量少跳线，整体美观合理，布局大方、平均。

把整个电路按照功能划分成若干个单元电路，按照电信号的流向，依次安排各个功能单元在板上的位置，其布局应便于信号流通，并使信号流向尽可能地保持一致。

通常情况下，信号流向安排成从左到右（左输入、右输出）或从上到下（上输入、下输出）。

除此，还应遵循以下几条原则。

（1）在保证电性能合理的原则下，元器件应相互平行或垂直排列，在整个板面上应分匀、疏密一致。

（2）元器件不要布满整个板面，注意板边四周要留有一定余量。

余量的大小要根据印的面积和固定方式来确定，位于印制电路板边上的元器件，距离印制板的边缘至少应该2mm。

印制板四周，一般每边都留有5～10mm空间。

（3）元器件的布设不能上下交叉。

相邻的两个元器件之间要保持一定的间距。

间距不小，避兔相互碰接。

如果相邻元器件的电位差较高，则应当保持安全距离，安全间隙一般不应小于0.5mm。

（4）通常情况下，所有元器件应该布设在印制板的一面。

（5）元器件的安装高度要尽量低，一般元件体和引线离开板面不要超过5mm，过高则承受振动和冲击的稳定性变差，容易倒伏或与相邻元器件碰接。

（6）根据印制板在整机中的安装位置及状态，确定元件的轴线方向。

规则排列的元器件，应该使体积较大的元件的轴线方向在整机中处于竖立状态，可提高元器件在板上固定的稳定性。

3.2电路设计

3.2.1时钟电路

时钟电路运用石英晶体振荡器，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。

这种石英晶体薄片收到外加交变电场的作用时会产生机械振动，这就是晶体谐振特性的反应。

利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC谐振回路、滤波器等。

由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。

石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的震荡电路中作谐振元件。

电路图如图3-1所示。

图3-1时钟电路图

3.2.2语音输入放大电路

语音输入放大电路如图3-2所示。

图3-2语音输入放大电路图

3.2.3语音输出放大电路

语音输出放大电路如图3-3所示。

图3-3语音输出放大电路图

3.2.4帧同步产生电路

本系统采用CD4512八选一数据选择器，用于产生帧同步码。

帧结构的概念就是把多路话音数字码以及插入的各种标记按照一定的时间顺序排列的数字码流组合。

帧同步产生电路如图3-4所示。

图3-4帧同步产生电路图

3.2.5复接信道

复接信道主要连接帧同步产生电路、分时隙以及PCM编译码器的通道，由74LS08，74LS04,74LS32组成。

复接信道如图3-5所示。

图3-5复接信道图

3.2.6PCM编码电路

脉冲调制就是把一个时间连续、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后在信道中传输。

脉码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化、编码的过程。

而译码就是编码的相反过程。

其电路原理图如图3-6所示。

图3-6PCM编译码电路

第4章PCM编译码语音传输系统软件实现

4.1PCM软件程序窗口

软件程序窗口如图4-1所示。

图4-1PCM软件程序窗口图

4.2PCM软件显示窗口

软件显示窗口如图4-2所示。

图4-2PCM软件显示窗口图

第5章电路测试与波形

5.1电路测试

应用数字万用表和示波器对电路进行测试，检查电路连接是否正确，核对器件型号等。

确认电路无误后方可接入电源。

5.2测试波形

5.2.1时钟波形及采样波形

时钟波形由时钟电路产生，首先产生4096KHz的时钟，然后经过分频获得2048KHz、1024KHz、512KHz、256KHz的时钟。

其波形图依次如图5-1所示。

图5-1时钟及采样波形

5.2.2帧码波形

由CD451