2路语音全双工PCM通信系统设计制作.docx
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2路语音全双工PCM通信系统设计制作
2路语音全双工PCM通信系统设计制作
摘要：
语音编码将模拟话音信号变为数字信号的过程，是数字通信中的一项重要技术。
本课题将介绍一个2路语音全双工PCM的通信系统，两路语音中任何一方都能向对方发出信息或接受对方发过来的信息，完成全双工通信，并且采用PCM编码技术。
对于语音编译码部分将采用芯片TP3057，TP3057是A律PCM编译码集成电路。
整个电路也就是一个两路语音的时分复用通信系统。
关键词：
全双工；PCM编译码；时分复用
TheDesignandManufactureofTwoRoutsSpeech
Full-dulplexPCMCommunicationSystem
Abstract：
Speechcodingwillanalogvoicesignalintoadigitalsignalprocess,thedigitalcommunicationisoneofthemostimportanttechnology。
Inthistopicwewillintroduceacommunicatingsystem,whichcansendorreceiveinformationbetweenbothsides,toaccomplishthefull-duplexmodecommunication,andusingthetechnologyofPCMcodec.ForthepartofencodinganddecodingwewillusetheTP3057chip.TP3057isanintergratedcircuitchipofusingAencodinglawcodec.Forthewholesystemwecanseeitasatwo-pathtimedivisionmultiplexingcommunicatingsystem.
Keywords:
full-dulplex;PCMcodec;timedivisionmultiplexing;
第1章绪论
随着现代通信技术的发展，为了提高通信系统信道的利用率，话音信号的传输往往采用多路复用通信的方式。
这里所谓的多路复用通信方式通常是指：
在一个信道上同时传输多个话音信号的技术，也称复用技术。
复用技术有多种工作方式，例如频分复用，时分复用以及码分复用等。
在本文中运用的是两路的时分复用技术。
时分复用（TDM：
TimeDivisionMultiplexing）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，国际上有两个不同的基群标准（PRI：
PrimaryRateInterface）。
美国和日本采用24支路标准，我国采用欧洲标准，使用32路标准。
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（如本文采用TP3057），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2章总体电路设计思路与原理
2.1PCM编码原理介绍
要完成2路语音的PCM全双工通信，此次课题采用的是时分复用的方式。
首先介绍一下PCM编码的原理。
PCM的实现主要包括三个步骤：
抽样、量化、编码。
分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。
根据CCITT的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为A律和μ律方式，我国采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码并采用非均匀量化PCM编码。
下面将介绍PCM编码中抽样、量化及编码的原理。
（1）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。
（2）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。
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
压缩律和A压缩律。
美国采用
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：
A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。
实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压
路实现，本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。
图2.1表
图2.1A律函数13折线
示出了这种压扩特性。
表1-1列出了13折线时的x值与计算x值的比较。
表2-1中第二行的
值是根据A=87.6时计算得到的，第三行的x值是13折线分段时的值。
可见，13折线各段落的分界点与A=87.6曲线十分逼近，同时x按2的幂次分割有利于数字化。
（3）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。
下面结合13折线的量化来加以说明。
表2-113折线时的x值与计算x值的比较
y
0
1
x
0
1
按折线
分段时的x
0
1
段落
1
2
3
4
5
6
7
8
斜率
16
16
8
4
2
1
表2-2段落码与段内码
段落序号
段落码
量化级
段内码
8
111
15
1111
14
1110
7
110
13
1101
12
1100
6
101
11
1011
10
1010
5
100
9
1001
8
1000
4
011
7
0111
6
0110
3
010
5
0101
4
0100
2
001
3
0011
2
0010
1
000
1
0001
0
0000
在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。
若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。
具体的做法是：
用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。
其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。
这样处理的结果，8个段落被划分成27＝128个量化级。
段落码和8个段落之间的关系和段内码与16个量化级之间的关系如表2-2所示。
PCM编译码器的实现可以借鉴单片PCM编码器集成芯片，如：
TP3057A、CD22357等。
单芯片工作时只需给出外围的时序电路即可实现，考虑到实现细节，仿真时将PCM编译码器分为编码器和译码器模块分别实现。
2.2时分复用原理介绍
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
有上述理论我们可以这样实现课题设计：
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。
．
第3章各单元电路的设计
3.1定时器电路的设计
时分复用通信中的同步技术包括位同步（时钟同步）和帧同步，这是数字通信的又一个重要特点。
位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。
位同步的基本含义是收、发两端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。
为了达到收、发端频率同频、同相，在设计传输码型时，一般要考虑传输的码型中应含有发送端的时钟频率成分。
这样，接收端从接收到PCM码中提取出发端时钟频率来控制收端时钟，就可做到位同步。
一个抽样周期即为一帧，抽样信号为8KHz，所以每帧的时间为125微秒，包含有32个路时隙，，其编号为TS0，TS1……TS31,每个路时隙的时间为3.9微秒。
每一路时隙包含有8个位时隙，其编号为D0，D1……D8,每个位时隙的时间为0.488微秒。
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，另一个时隙用来传送信令码。
由此可知分频器需产生频率为2048KHz的位同步信号，8KHz的时隙同步信号，此外还要产生一些其它频率的信号来控制同步。
因此，采用的晶振通过计数器74LS193和触发器74LS74得到所需的信号频率。
抽样信号可由单稳态触发器74LS123得出。
表3-174LS193的真值表
输
入
输
出
CLR
LOAD
UP
DOWN
A
B
C
D
QA
QB
QC
QD
H
X
X
X
X
X
X
X
L
L
L
L
L
L
X
X
d0
d1
d2
d3
d0
d1
d2
d3
L
H
H
X
X
X
X
加
计
数
L
H
H
X
X
X
X
减
计
数
L
H
H
H
X
X
X
X
保
持
晶振的频率为4096KHz。
通过74LS193的真值表结合图3.1可以看出74LS193芯片工作在加计数的状态，Qd为十六分频输出端口，U2A的Qd输出4096KHz÷16=256KHz的时钟信号。
同理可以知道U2B的Qd端口输出信号频率为256KHz÷16=16KHz。
芯片74LS74为上升沿D触发器，它的作用就是对信号二分频。
由此可知，U3A的1Q端输出的信号为16KHz÷2=8KHz（化为周期125us），U3B的1Q端口输出的信号为4096KHz÷2=2048KHz（化为周期488.28ns）。
74LS164是一个八位移位寄存器（串行输入,并行输出），其真值表如下表3-2所示
（:
上升沿，Qaa~Qha:
规定的稳态输入条件建立前Qa~Qh的电平，Qan~Qgn:
时钟最近的前Qa~Qg的电平）
表3-274LS164的真值表
输
入
输
出
Cr
CP
A
B
Qa
Qb
……
Qh
L
X
X
X
L
L
……
L
H
L
X
X
Qaa
Qba
……
Qha
H
H
H
H
Qan
……
Qgn
H
X
L
L
Qan
……
Qgn
H
L
X
L
Qan
……
Qgn
将上表结合图3.1我们可以看出，74LS164工作在第5种移位寄存的状态，8KHz的抽样信号由两个双可重触发单稳态触发器74LS123产生。
Qa输出端口的8KHz（125us）脉冲抽样信号在256KHz（3.9us）的时钟频率下向右移至Qb、Qc...Qh，每一个256KHz时钟信号即为一个时隙长度，一个抽样脉冲中含32个时隙，3.9us*32=125us，图中的第2和第1时隙，分别由Qc，Qb输出，Qa输出第0路时隙。
图3.1定时器电路原理图
3.2PCM编译码电路的设计
PCM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。
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。
为解决共有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（详见2.1节PCM编码原理介绍）。
本课题采用PCM的A律的量化编码的方法。
本课题选择TP3057芯片作为PCM编码器，它把编译码器和滤波器集成在一个芯片上，功能比较强，它可以进行A律变换，它的数据既可用固定速率传送，也可用变速率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态，它的编码和解码工作既可同时进行，也可异步进行。
TP3057简介：
本模块的核心器件是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，其引脚图如图3.2所示，引脚功能如表3-2所示。
图3.2TP3057引脚图
本课题将两路语音信号A，B分别进行PCM编译码，所以采用两片TP3057芯片，两个时隙的复用通过74LS164分配，A、B分别占第2时隙和第1时隙，由此，PCM编译码电路可设计如图3.3所示。
下面我们说明一下TP3057在工作时的原理和流程。
表3-2TP3057引脚功能表
引脚号
符号
功能
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
Dn
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FSr信号上升沿后逐位移出Dr端，频率可以为64KHz到2.04MHz的任意频率，但必须与MCLKr同步
11
Dr
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
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
VFri-
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
发送部分：
如图3.3所示两路语音信号A，B分别由SA-IN和SB-IN输入，首先经可调增益放大器放大再经过抗混淆滤波器、低通滤波器、高通滤波器的滤波。
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·A·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。
图3.3PCM编译码电路原理图
发帧同步信号FSx为采样信号为8KHz脉冲编码序列，接由定时器产生的第一路时隙，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（2048KHz）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，从而得到语音模拟信号。
对于全双工的实现可以由图3.3看出，第二路时隙信号在A语音编译码器U9中作为发送端，而在U9的接收端采用的是第一路时隙信号。
同样，在B语音编译码器U10中，发送端接的是第一路时隙，在接收端接的是第二路时隙。
通过交换时隙来实现全双工通信，还原出语音信号。
3.3复接电路
复接就是把经PCM编译码器编码后的PCM-A信号和PCM-B信号连接起来，加上帧同步码11110010复接成长为125us的一帧PCM信号,然后送入PCM编译码器进行分接译码。
复接电路如图3.4所示，74HC151产生帧同步码11110010。
帧同步是使收、发两端的各路时隙脉冲相对应并保持一致，从而保证各路话路正确地进行传输和接收，不致发生收发各路的混乱。
帧同步码是一个特殊字段表示一帧的开始。
在实际通信系统中，译码器时隙同步信号（即帧同步信号）应从接收到的数据流中提取，此处将同步器产生的时隙同步信号直接送给译码器。
图3.4复接电路
帧同步码11110010由74LS151八选一数据选择器产生，其真值表如下表3-3所示：
表3-374LS151真值表
输
入
输
出
C
B
A
Z
X
X
X
H
L
H
L
L
L
L
I0
I0
L
L
H
L
I1
I1
L
H
L
L
I2
I2
L
H
H
L
I3
I3
H
L
L
L
I4
I4
H
L
H
L
I5
I5
H
H
L
L
I6
I6
H
H
H
L
I7
I7
74LS151的A、B、C端分别接由定时器产生的1024KHz、512KHz、256KHz信号端，产生一个8位的帧同步码01111110为3.9us，即形成一个帧同步头。
此同步头是由编译码电路中芯片74LS164中Qa产生的8KHz抽样信号输出的，在Qb的前一时隙中，这样就占PCM信号的第0个时隙。
在此课题中由于两个PCM编译码器用同一个时钟信号，因而可以对它们进行同步复接。
又由于两个编码器输出数据处于不同时隙，故可对PCM-A和PCM-B进行线或。
本电路模块中用或门74LS32对PCM-A、PCM-B及帧同步信号进行复接，如图3.4所示。
在译码之前，不需要对PCM进行分接处理，因为译码器的时隙同步信号实际上起到了对信号分路的作用。
需要注意的是由于时钟频率为2.048MHz，抽样信号频率为8KHz，故PCM-A及PCM-B的码速率都是2.048MB，一帧中有32个时隙，其中1个时隙为PCM编码数据，另外31个时隙都是空时隙。
PCM信号码速率也是2.048MB，一帧中的32个时隙中有29个是空时隙，第0时隙为帧同步码（01110010）时隙，第2时隙为信号A的时隙，第1时隙为信号B的时隙。
本课题产生的PCM信
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