1、湖南工程學院課 程 設 計課程名稱 通信原理 課題名稱 單路語音數字通信系統設計 專 業 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 單路數字語音通信系統的設計專業班級 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 設計內容與設計要求一、設計內容：設計一個單路語音數字通信系統，信道視為理想信道，語音編碼方式和調制方式不限。1、設計單路語音通信系統的系統方框圖與單元電路圖；2、利用實驗箱進行調試。二、設計要求1、碼速率不超過64kb

2、/s；2、給出系統框圖以及單元電路圖，重要元器件的選擇和參數；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框圖。5. 各單元電路設計；6. 系統進行調試結果；7. 總結與體會；8. 附錄；9. 參考文獻。進度安排11月28日：下達設計任務書，介紹課題內容與要求； 11月29日：查找資料；11月30日12月2日：設計系統框圖、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. 系統概述­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

4、73;­­­­11.1總體框架和原理­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­11.2 2FSK調制和解調原理­

5、­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­2調制部分­­­­­­­­­­­­­­­&

6、#173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­2解調部分­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­&#

7、173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­32 各單元電路設計­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

8、3;­­­­­­­­­­­­­42.1語音信號采集模塊­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

9、3;­­­42.2 AD采樣電路­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­72.3 2FSK調制電路­

10、3;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­82FSK調制與解調的基本原理­­­­­­­­&

11、#173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­82FSK調制與解調的原理框圖­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

12、3;­­­­82.4. 2FSK解調­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­11 (

13、a)帶通濾波器­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­11 (b)包絡檢波器和抽樣判決器­­­­­

14、­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­11 2.5 串行轉并行和DA轉換電路­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

15、;­­­­­­­­­­­123 課程設計總結­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­&

16、#173;­­­­­134. 參考文獻­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

17、3;­­­­145. 附錄­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

18、73;­­­­­­­15一 系統概述：1.1總體框架和原理：要實現單路數字語音的通信，首先把模擬語音信號通過抽樣、量化、編碼轉變為數字信號，編碼后再經過調制，將數字信號轉化成模擬信號，再將其解調，則模擬信號解調成數字信號，再讓數字信號通過解碼轉變為模擬信號，該過程即完成了單路數字語音的通信系統。其原理框圖如下所示：語音信號語音量化編碼解碼DA壓縮調制解調 圖1-1 單路數字語音通信系統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均勻劃分量化等級的量化方法。它產生的量化噪聲也是均勻的

19、，與信號在取樣點的幅度無關。因此，均勻量化會出現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，即在發送端對抽樣信號先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。調制與解調有ASK，FSK，PSK和DPSK這四種基本的解調方法。在這里采用開關法

20、對信號進行調制，用2FSK非相干解調法（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，則判為收到“1”，反之則判為“0”。1.2. 2FSK調制和解調原理本課程設計采用2FSK方式進行調制通信編碼。2FSK系統分調制和解調兩部分。調制部分2FSK信號的產生方法主要有兩種。第一種是用二進制基帶矩形脈沖信號去調制一個調頻器，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。這兩種方法產生的2

21、FSK信號的波形基本相同，只有一點差異，即由調頻器產生的2FSK信號，在相鄰碼元之間的相位是連續的，如(c)圖所示；而開關法產生的2FSK信號，則分別由兩個獨立的頻率源產生不同頻率的信號，故相鄰碼元的相位不一定是連續，如(d)圖所示。本次設計用鍵控法實現2FSK信號。 圖1-2調制原理 (c)相位連續 (d)相位不連續圖1-3波形設置解調部分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字信號。帶通f1

22、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信號包絡解調方框圖設頻率代表數字信號1；代表數字信號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

23、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換前首先要進行放大，濾除相關噪聲，以及要和AD轉換電路進行電氣匹配的相關轉換。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部傳感器不同而有較大的差異，為了提高整個系統的輸入阻抗，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

24、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，防止產生采樣混疊現象，低通濾波器可采用二階巴特沃斯低通濾波器實現。其上限截止頻率可以略高于3.4KHZ，去4KHZ。根據系統功能的要求，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

25、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實現。綜上所述其電路如下：圖2-1自舉式交流放大電路圖2-2低通濾波電路圖2-3 電流電壓抬升電路經過上述的三個電路處理的語音信號才能被AD模塊進行轉換。2.2 AD采樣電路量化后的信號，已經是取值離散的數字信號。下一步的問題是如何將這個數字信號編碼。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，稱為脈沖編碼調制PCM，簡稱脈碼調制。脈沖調制就是把一個時間連續、取值連續的模

26、擬信號變換成時間離散、取值離散的數字信號后在信道中傳輸。脈沖編碼調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，把時間上連續的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經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。量化即是把經過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。 一個模擬信號經過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調制信號，它僅為有限個數值。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

27、也稱為模/數變換，可記作A/D。圖2-4并行轉串行電路ADC采樣后的數據時并行的8位，不便于進行2FSK調制，因此要把并行數據轉換成串行數據，使用74597芯片完成并行轉串行。2.3 2FSK調制電路2FSK調制與解調的基本原理2FSK信號的產生方法主要有兩種。第一種是用二進制基帶矩形脈沖信號去調制一個調頻器，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。這兩種方法產生的波形基本相同，只有一點差異，即由調頻器產生的2FSK信號在相鄰碼元之間的相位是連續的；而開關法產生的2FSK信號，則分別由兩個獨立的頻率源產生兩個不同頻率的信號，

28、故相鄰碼元的相位不一定是連續的。2FSK調制與解調的原理框圖2FSK是用數字信號去調制載波的頻率。如果用數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，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)。鍵控法產生的FSK信號頻率穩定度可以做得很高并且沒有過渡頻率，它的轉換速度快，波形好。我們在課程設計中調制用的方法是開關法,如

29、下圖所示：圖 2-5 開關法2FSK信號的解調方法有：包絡檢波法、相干解調法、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字調頻波的過零點數隨不同載波而異，故檢出過零點數可以得到關于頻率的差異。輸入信號經限幅后產生矩形波序列，經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頻波的過零點，將其變換成具有一定寬度的矩形波，并經低通濾波濾除高次諧波，便能得到對應于原數字信號的基帶脈沖信號，從而達到解調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制方式，也是數

30、字通信中用得較廣的一種方式，它的主要優點是：實現起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好，適合中，低速數據傳輸的應用。通常數據率在低于1200b/s時使用FSK方式。在衰落信道中傳輸數據時，它也被廣泛采用。圖2-7 2FSK信號調制圖2-8 FSK調制的兩個頻率產生2.4. 2FSK解調2FSK信號的解調方法有：包絡檢波法、相干解調法、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、

31、電阻構成。(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容二極管構成的檢波器，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)進行判決，判決準則是當抽樣值滿足判為頻率代表的數字基帶信號，即“1”碼；當時判為頻率代表的數字基帶信號，即“0”碼。其電路設計圖如下：圖2-10 包絡檢波電路2.5 串行轉并行和DA轉換電路DAC0832是把并行輸入的數據轉換成模擬電路，所以首先應該把串行信號轉換成并行信號。74595芯片完成串行轉并行，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轉換電路三 .課程設計總結為期兩周