基于CVSD和PSK调制的语音数字通信系统的设计.docx

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基于CVSD和PSK调制的语音数字通信系统的设计

基于CVSD和PSK调制的语音数字通信系统的设计

一、设计目的

1.熟悉数字通信系统各级信号的波形；

2.理解信号在信道传输过程中的变换原理和方法；

3.了解数字通信系统性能的测试方法；

4.熟练使用试验箱并懂得各个模块的作用；

5.熟练使用示波器，提高观图的能力。

二、设计任务及要求

设计任务：

利用实验箱RZ8621D已有模块设计一个语音信号的数字通信系统，利用电话单机语音信号作为输入，经过模/数变换、调制、解调、数模变换，最后以扬声器或电话单机作为输出，构成一个完整的数字通信系统。

要求：

（一）完成单台实验箱自环设计和两台实验箱双工设计

（二）弄清楚每一个模块的电路原理和功能，并检验其是否工作正常，在设计过程中记录其相应波形和参数。

三、方案设计

图1单台实验箱自环设计方框图

图2两台实验箱的双工设计方框图

四、电路工作原理

（一）CVSD模块（增量调制解调模块）

1.增量调制的工作原理

增量调制编码每次取样只编一位码，这一位编码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量，即采用一位二进制数码“1”或“0”来表示信号在抽样时刻的值相对于前一个抽样时刻的值是增大还在减小，增大则输出“1”码，减小则输出“0”码。

输出的“1”、“0”只是表示信号相对于前一个时刻的增减，不表示信号的幅值。

2．编码电路的工作过程

由图4可知，输入的音频信号，经过发送通道电路输出到电解电容E201，经过耦合至MC34115的模拟信号输入端，第1引脚，因为是编码工作方式。

因此，置高电平给U201（MC34115）的第15引脚。

此时芯片内的模拟输入运算放大器与移位寄存器接通，从第1引脚（ANI）输入的模拟信号与第2引脚（ANF）输入的本地解码信号相减并放大得到误差信号，然后根据该信号极性编成数据信码从第9引脚（DOT）输出。

该信码在片内经过3级或4级移位寄存器及检测逻辑电路。

检测过去的3位或4位信码中是否为连续“1”或连续“0”的出现。

一旦当移位寄存器各级输出为全“1”码或全“0”码时，表明积分运算放大器增益过小，检测逻辑电路从第11引脚（COIN端）输出负极性一致脉冲，经过外接音节平滑滤波器后得到量阶控制电压输入到第3引脚（SYL端），由内部电路决定，GC端电压与SYL端相同，这就相当于量阶控制电压加到GC端。

在没有音频模拟信号输入时，话路是空闲状态，则编码器应能输出稳定的“1”、“0”交替码，这需要一最小积分电流来实现，该电流可通过增大调节电位器来获得。

由于极性开关的失配，积分运算放大器与模拟输入运算放大器的电压失调，此电流不能太小，否则无法得到稳定的“1”、“0”交替码。

该芯片总环路失调电压约为1.5mv（注：

IGC=12⋅0μA，Vcc=12V，TA=25︒C），所以量阶可选择为3mv。

当本地积分时间常数1ms时，则最小积分电流取10μA，就可得到稳定的“1”、“0”交替码。

如果输出不要求有稳定的“1”、“0”交替码，量阶可减小到0.1mv，而环路仍可正常工作。

MC34115是采用3位数字检测控制的可变斜率方式，即通常所讲的三连“1”，三连“0”检测算法。

3.CVSD编码电原理图（图4）

图4CVSD编码电原理图

4.增量调制的译码

由发端送来的编码数据信号加至开关J801的引脚，通过该开关的作用，把信号送到U801（MC34115）芯片的第13引脚，即接收数据输入端。

本系统因为是译码电路，故置低电平至U801（MC34115）的15引脚，使模拟输入运算放大器与移位寄存器断开，而数字输入运算放大器与移位寄存器接通，这样，接收数据信码经过数字输入运算放大器整形后送到移位寄存器，后面的工作过程与编码时相同，只是解调信号不再送回第2引脚（ANF端），而是直接送入后面的积分网络中，再通过接收通道低通滤波电路滤去高频量化噪声，然后送出话音信号，推动喇叭。

图5是增量调制系统译码电路结构方框图。

图5增量调制系统译码器电路结构方框图

（二）二相BPSK调制模块

对载波的相移键控是用模拟开关电路实现的。

0相载波与π相载波分别加到模拟开关1：

U302：

A的输入端（1脚）、模拟开关2：

U302：

B的输入端（11脚）。

当信码为“1”码时，模拟开关1的输入控制端为高电平，模拟开关1导通，输出0相载波，而模拟开关2的输入控制端为低电平，模拟开关2截止。

反之，当信码为“0”码时，模拟开关1的输入控制端为低电平，模拟开关1截止。

而模拟开关2的输入控制端却为高电平，模拟开关2导通。

输出π相载波，两个模拟开关的输出通过载波输出开关K301合路叠加后输出为二相PSK调制信号，如图6所示。

图6PSK调制原理框图

二相BPSK（DPSK）解调器的总电路方框图如图7所示。

该解调器由三部分组成：

载波提取电路、位定时恢复电路与信码再生整形电路。

载波恢复和位定时提取，是数字载波传输系统必不可少的重要组成部分。

1.二相（BPSK，DPSK）信号输入电路

由BG701（3DG6）组成射随器电路，对发送端送来的二相（BPSK、DPSK）信号进行前后级隔离，由U701（LM311）组成模拟信号放大电路，进一步对输入小信号的二相（PSK、DPSK）信号进行放大后送至鉴相器1与鉴相器2分别进行鉴相。

图7BPSK调制原理框图

2.科斯塔斯环提取载波原理

科斯塔斯环由U701（LM311）模拟运放放大后的信号分两路输出至两鉴相器的输入端，鉴相器1与鉴相器2的控制信号输入端的控制信号分别为0相载波信号与π/2相载波信号。

它的中心振荡输出频率范围从1Hz到60MHz，工作环境温度在0～70℃，当电源电压工作在+5V、频率控制电压与范围控制电压都为+2V时，74S124的输出频率表达式为：

f0=5×10-4/Cext。

当74S124的第7脚输出的中心振荡频率偏离2.048MHz时，此时可调节W701，用频率计监视测量点TP702上的频率值，使其准确而稳定地输出2.048MHz的载波信号。

该2.048MHz的载波信号经过分频（÷2）电路：

U709一次分频变成1.024MHz载波信号，并完成π/2相移相。

由U709B的9脚输出π/2相去鉴相器2的控制信号输入端U302D（4066）的6脚，由U709A的5脚输出0相载波信号去鉴相器1的控制信号输入端U302C（4066）的5脚。

这样就完成了载波恢复的功能，此时K701需选择1-2脚。

五、测量点说明

TP201：

模拟信号输入端。

信号波形幅度尽量小一些。

方法是：

可改变相应信号源输出幅度的大小。

TP202：

增量调制编码电路的本地译码信号输出波形。

其输出波形与TP201的波形相近似，但它的上升斜率和下降斜率不同。

波形不好可调节W201电位器。

TP203：

增量调制编码电路的工作时钟输入波形，工作频率为64KHz或32KHz或8KHz，它由薄膜键盘选择来决定时钟信号：

01为8KHz；02为32KHz；03为64KHz。

TP204：

一致脉冲信号输出波形，它随输入信号波形的变化而变化。

当编码数字信号出现三个连0（或三个连1）时，一致脉冲信号输出负电平，直至连0（或连1）现象停止，返回正电平输出。

TP205：

增量调制编码电路输出的数字编码信号波形。

TP801：

增量调制译码电路的工作时钟输入波形，工作频率为64KHz或32KHz或8KHz或提取时钟。

TP802：

增量调制译码电路接收的数字编码信号输入波形。

开关K801的作用：

1端与2端相连，译码电路接受编码电路输出的编码数字信号，即：

TP802=TP205。

2端与3端相连，译码部分接收来自“数字同步技术模块”再生数字信号输入，即：

TP802=TP707。

TP803：

增量调制译码电路的本地译码电路模拟信号输出波形，可调节W801。

其输出波形与TP202相近似，即经过二次积分网络后输出的波形。

TP804：

译码输出，由译码部分的本地译码信号经过滤波器后得到。

若恢复得好，应与TP201同。

TP301：

频率为1.024MHz方波信号，由U101芯片（EPM240）编程产生，

TP302：

1.024MHZ载波正弦波信号，可调节电位器W301改变幅度（一般2V左右）。

TP303：

1.024MHZ载波正弦波信号，与TP302反π相，可调节电位器W302改变幅度。

TP304：

作为数字基带信码信号输入波形，由开关J301和薄膜键盘选择决定。

2KHz的方波，由薄膜键盘选择输出；

5-6脚相连，输入CVSD（ΔM）编码模块的数字编码信号输出；

TP305：

PSK调制信号输出波形。

由开关K301决定。

1-2相连3-4断开时，TP305为0相载波输出；

1-2断开3-4相连时，TP305为π相载波输出；

1-2和3-4相连时，TP305为PSK调制信号叠加输出。

注意两相位载波幅度需调整相同，否则调制信号在相位跳变处易失真。

TP306：

衰减或放大的PSK调制信号输出。

K302的1-2脚相连时，在调制信号中加入噪声，模拟实际通信中的信道传输。

TP701：

PSK解调信号输入波形。

由开关SW02决定。

1－2脚相连时：

PSK自环，即同一平台上PSK调制解调；

2－3相连时：

PSK自环断开，PSK可通过MODEM接口实现两个实验平台间的双工通信。

TP702：

压控振荡器输出2.048MHz的载波信号。

此时K701需选择1-2脚。

K701：

1-2脚连为通过科斯塔斯环提取载波时钟

2-3脚连为CPLD直接给解调电路送一个载波同步时钟

TP703：

频率为1.024MHz的0相载波输出信号。

TP704：

频率为1.024MHz的π/2相载波输出信号，对比TP703。

TP705：

PSK解调输出波形，即数字基带信号（见“数字同步与眼图观察”模块）。

对于BPSK方式的科斯塔斯环解调时存在相位模糊问题，解调出的基带信号可能倒相，此时将K701（载波同步时钟）拔插几次。

六、实验波形图

七、注意事项

1.认真领会本次设计的指导思想，仔细分析电路的工作过程及原理。

2.在动手之前做到系统基本概念清楚、目的明确，绘图时以2KHz正弦波信号作为输入。

3.对实验箱中的各部分电路元器件所在位置看准确、清楚，具体步骤见以前的实验。

4.注意示波器、频率计、信号源的接地线要良好。

5.薄膜键盘选择综合实验：

01综合实验1。

即给系统送入所需的各种信号信令。

6.本型号所配MODEM连接线为针型（公头）DB9封装插头，使用时只可用于两实验箱间的MODEM口连接，切勿连接计算机的串口，损坏计算机硬件。

MODEM口的1-5针用于信号传输，6-9针用于实验箱的直流电源（-12V、+12V、+5V）输出供给它用，注意千万不要使其短路。

7.两台试验箱连接时，注意让两个试验箱的地线相连。

8.注意检查各个模块是否工作正常，得以保证整个实验的正确完成。

八、思考题

在数字通信传输系统中，欲提高系统性能，减少传输误码率的途径有哪些?

衡量数字通信系统的指标包括其可靠性和有效性。

有效性用传输速率和频带利用率度量，可靠性用出错率度量。

其传输误码率主要由其码间串扰和加性噪声导致的。

（1）数字通信系统抗干扰性强，且噪声不积累，通过加中继器可还原信号，减少误码率。

（2）信息传输产生码间串扰，引入线性网络进行补偿，从而降低误码率。

（3）信息传输产生相位失真，引入线性网络进行补偿，从而降低误码率。

（4）减少码间串扰，即降低码元传输速率，可减少误码率。

（5）信号的带宽小于多径信道的带宽可有效避免信号受多径传播的影响，从而减少误码率。

（6）消除码间串扰可通过引入低通滤波器、余弦滚降、部分响应，从而减少传输误码率。

（7）数字通信传输均具有一定的传输模型，通过改善其调制信道和编码信道也可减少传输误码率。

九、心得体会

感谢老师为我们提供这次课程设计。

通过完成基于CVSD和PSK调制的语音数字通信系统的设计，我熟悉数字通信系统各级信号的波形，并理解了信号在信道传输过程中的变换原理和方法，同时了解数字通信系统性能的测试方法，并更加熟练使用试验箱并懂得各个模块的作用；尤其是熟练使用示波器，提高观图的能力，在整个实验过程中，充分考察了逻辑组合能力，提高了动手操作的能力，加强了小组之间的合作默契程度。