单路语音数字通信系统设计

1湖南工程学院课程设计课程名称通信原理课题名称单路语音数字通信系统设计专业电子科学与技术班级学号姓名指导教师2011年12月7日2湖南工程学院课程设计任务书课程名称通信原理题目单路数字语音通信系统的设计专业班级学生姓名学号：指导老师审批任务书下达日期2011年11月28日设计完成日期2011年12月9日3设计内容与设计要求一、设计内容：设计一个单路语音数字通信系统，信道视为理想信道，语音编码方式和调制方式不限。1、设计单路语音通信系统的系统方框图与单元电路图；2、利用实验箱进行调试。二、设计要求1、码速率不超过64kb/s；2、给出系统框图以及单元电路图，重要元器件的选择和参数；主要设计条件通信原理实验箱一个；说明书格式1.课程设计封面；2.任务书；3.说明书目录；4.设计基本原理与系统框图。5.各单元电路设计；6.系统进行调试结果；7.总结与体会；8.附录；9.参考文献。进度安排11月28日：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；411月29日：查找资料；11月30日—12月2日：设计系统框图、完成单元电路图；12月3日—5日：完成总电路图；利用实验箱进行调试；12月6日—8日：编写并打印设计报告；12月9日：答辩。参考文献1、樊昌信主编，通信原理，国防工业出版社。2、南利平主编，通信原理简明教程，清华大学出版社。3、浣喜明，通信原理实验指导书，湖南工程学院。目录一.系统概述­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­11.1总体框架和原理­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­11.22FSK调制和解调原理­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­2①调制部分­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­2②解调部分­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­3二．各单元电路设计­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­42.1语音信号采集模块­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­42.2AD采样电路­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­72.32FSK调制电路­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­82FSK调制与解调的基本原理­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­82FSK调制与解调的原理框图­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­82.4.2FSK解调­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­11(a)带通滤波器­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­11(b)包络检波器和抽样判决器­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­112.5串行转并行和DA转换电路­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­12三．课程设计总结­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­13四.参考文献­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­14五.附录­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­151一．系统概述：1.1总体框架和原理：要实现单路数字语音的通信，首先把模拟语音信号通过抽样、量化、编码转变为数字信号，编码后再经过调制，将数字信号转化成模拟信号，再将其解调，则模拟信号解调成数字信号，再让数字信号通过解码转变为模拟信号，该过程即完成了单路数字语音的通信系统。其原理框图如下所示：图1-1单路数字语音通信系统原理框图在量化时可以采用均匀量化，也可以采用非均匀量化，均匀量化是在抽样信号的取值范围内均匀划分量化等级的量化方法。它产生的量化噪声也是均匀的，与信号在取样点的幅度无关。因此，均匀量化会出现话音弱时的信噪比低、干扰大，而话音强时的信噪比高、干扰小的反常情况。故本次课程设计采用非均匀量化。非均匀量化的具体办法是压缩、扩张法，即在发送端对抽样信号先进行压缩处理再均匀量化，压缩器特性曲线在小信号时的斜率大，大信号时的斜率小，使抽样信号的小样值部分被充分放大，大样值部分被适当压缩。被压缩的抽样信号虽然再经过均匀量化，但在接收端，解码后的被压缩量化抽样信号之量化信噪比却得到了均衡，故能在较高的信噪比下，用与压缩器特性正好相反的扩张器恢复被压缩抽样信号的本来面目。调制与解调有ASK，FSK，PSK和DPSK这四种基本的解调方法。语音量化编码解码DA压缩调制解调语音信号2在这里采用开关法对信号进行调制，用2FSK非相干解调法（包络检波法）。开关法是用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的震荡作为输出。而对包络检波法，其判决准则是比较两个支路信号的大小，若支路上的信号包络较大，则判为收到“1”，反之则判为“0”。1.2.2FSK调制和解调原理本课程设计采用2FSK方式进行调制通信编码。2FSK系统分调制和解调两部分。①调制部分2FSK信号的产生方法主要有两种。第一种是用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，如(a)图所示，使其能够输出两个不同频率的码元。第二种方法是用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出，如(b)图所示。这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的2FSK信号，在相邻码元之间的相位是连续的，如(c)图所示；而开关法产生的2FSK信号，则分别由两个独立的频率源产生不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续，如(d)图所示。本次设计用键控法实现2FSK信号。图1-2调制原理3(c)相位连续(d)相位不连续图1-3波形设置②解调部分2FSK信号的接收主要分为相干和非相干接收两类，本次设计采用非相干法(即包络解调法)，其方框图如下。用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为1f和2f的高频脉冲，经过包络检波后分别取出它们的包络。把两路输出同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。2FSKn(t)图1-4FSK信号包络解调方框图设频率1f代表数字信号1；2f代表数字信号0，则抽样判决器的判决准则：式中x1和x2分别为抽样判决时刻两个包络检波器的输出值。这里的抽样判决器，要比较x1、x2的大小，或者说把差值x1-x2与零电平比较。因此，有时称这种比较判决器的判决电平为零电平。当FSK信号为1f时，上支路相当于接收“1”码的情况，其输出x1为正弦波加窄带高斯噪声的包络，它服从莱斯分布。而下支路相当于接收“0”码的情况，输出x2为窄带高斯噪声的包络，它服从瑞利分布。如果带通f1滤波器带通f2滤波器包络检波器器包络检波器抽样判决器4FSK信号为2f，上、下支路的情况正好相反，此时上支路输出的瞬时值服从瑞利分布，下支路输出的瞬时值服从莱斯分布。无论输出的FSK信号是1f或2f，两路输出的判决准则不变，因此可以判决出FSK信号。二、各单元电路设计2.1语音信号采集模块语音信号在转换前首先要进行放大，滤除相关噪声，以及要和AD转换电路进行电气匹配的相关转换。采集部分包括语音输入，语音放大，前置滤波和ADC电路，其组成框图如下：话筒是语音输入的常用设备，它将人说话的声音转换成微小的电压信号输出，其峰-峰值最大为几十毫伏。话筒的输出阻抗因内部传感器不同而有较大的差异，为了提高整个系统的输入阻抗，用于放大语音的前置放大电路可以采用自举式交流放大器。将放大后的语音信号送到A/D之前还需要进行低通滤波器处理，以便去掉频率高于3.4KHZ的干扰信号，防止产生采样混叠现象，低通滤波器可采用二阶巴特沃斯低通滤波器实现。其上限截止频率可以略高于3.4KHZ，去4KHZ。根据系统功能的要求，ADC采样率是8KHZ，采样的位宽为8bit，可以用ADC0809进行设计。ADC0809所允许的最大采样速率10KHZ，转换时间约为100us，能满足设计要求。由于ADC0809的模拟输入信号范围为0-5V，所以语音信号放大器输出信号的峰-峰值应该不大于5V，同时还要将信号的直流电平进行抬升，使之变成能被ADC芯片接受的单极性语音信号自举式放大低通滤波器直流电平抬升ADC5信号，由于滤波器输出信号的直流电平为0，信号有正有负，故需将信号的直流电平从0抬升至2.5V，即ADC0809的模拟输入信号范围的中点。直流电平抬升可采用一个反相加法器和一个反相放大器级联实现。综上所述其电路如下：图2-1自举式交流放大电路6图2-2低通滤波电路图2-3电流电压抬升电路经过上述的三个电路处理的语音信号才能被AD模块进行转换。72.2AD采样电路量化后的信号，已经是取值离散的数字信号。下一步的问题是如何将这个数字信号编码。量化最常用的编码是用二进制符号表示此离散数值，例如“0”和“1”。通常把从模拟信号抽样，量化，直到变换成为二进制符号的基本过程，称为脉冲编码调制PCM，简称脉码调制。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。脉冲编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。抽样即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。量化即是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。编码即是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。8图2-4并行转串行电路ADC采样后的数据时并行的8位，不便于进行2FSK调制，因此要把并行数据转换成串行数据，使用74597芯片完成并行转串行。2.32FSK调制电路2FSK调制与解调的基本原理2FSK信号的产生方法主要有两种。第一种是用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，使其能够输出两个不同频率的码元。第二种方法是用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的震荡作为输出。这两种方法产生的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续的；而开关法产生的2FSK信号，则分别由两个独立的频率源产生两个不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续的。2FSK调制与解调的原理框图2FSK是用数字信号去调制载波的频率。如果用数字信号来键控两个不同的载波频率，即信号的符号是用二进制的基带信号是用“0”和“1”电平来表示的。1对应于载波频率F1,0对应于F2。这种称为二进制频移9键控（2FSK）。而其振幅和初始相位不变。故其表示式为：”时当发送“”时当发送“0)cos(1)cos()(0011tAtAts式中，A－振幅(V)是个常数，表明码元的包络是矩形脉冲。w0=2pf0，w1=2pf1为两个不同的频率的码元的角频率；q为两个码元的初始相位相位(rad)。键控法产生的FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没有过渡频率，它的转换速度快，波形好。我们在课程设计中调制用的方法是开关法,如下图所示：图2-5开关法2FSK信号的解调方法有：包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等，在这个课程设计里我们采用过零检测法。过零检测法的基本思想是数字调频波的过零点数随不同载波而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异。输入信号经限幅后产生矩形波序列，经微分整流后就形成与频率相应的脉冲序列。这个序列就代表着调频波的过零点，将其变换成具有一定宽度的矩形波，并经低