01通信原理课程设计湖南工程学院.docx
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01通信原理课程设计湖南工程学院
一、总体的思路设计
1.1设计内容与设计要求
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。
设计单路语音通信系统的系统方框图与单元电路图。
设计要求:
设计语音编码、调制、解调、解码的电路;给出系统框图以及单元电路图,重要元器件的选择和参数。
1.2总体设计思路
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,在将其解调,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。
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。
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”。
1.3系统的总原理框图
图1单路数字语音通信的原理框图
在这个设计过程中,由于是理想的信道,就不需要考虑噪声的影响,在设计中,把压缩、量化、编码的过程设计成为了一种模数的转换,将解码的过程设计为了数模的转换,所以在这个整体的设计中总共涉及到模数转化、调制、解调、数模转化的过程。
二、各单元电路的设计
2.1基于TLC320AD50的模数转换电路
语音信号模数/数模转换选择TLC320AD50(以下简称AD50)芯片,AD50使用过采样(oversampling)∑—Δ技术提供从数字信号到模拟信号(DA)和模拟信号到数字信号(AD)的高分辨率低速信号转换。
该器件包括两个串行的同步转换通道(用于各自的数据传输),在DA之前有一个插人滤波器(interpolaTIONfilter),在AD之后有一个抽取滤波器(decimdtionfilter),由此可降低AD50自身的噪声。
此外,AD50还具有片内时序和控制功能。
AD50特点如下。
·输入信号。
单端信号输人,幅度在1~4V之间。
·输出信号。
单端信号输出,幅度在1~4V之间。
·单一5V电源供电,也可以使用5V模拟电源和3V数字电源同时供电。
·最大工作功耗为100mW。
·通用16位数据格式,也可以采用2的补码数据格式。
·内部基准电压。
·AD为64倍采样,DA为256倍采样。
·支持各种V.34协议的采样速率。
·具有多种可选的采样频率。
·支持商业级音响应用。
·工作温度范围从-40~850。
AD50控制寄存器的设置必须在二次通信中完成。
AD50有硬件和软件两种方式启动二次通信,下面介绍硬仵方式启动AD50的二次通信过程。
硬件启动过程如下:
C5409通过其内部寄存器将XF引脚变为高电平,从而控制AD50的FC引脚到高电平,然后向缓冲串口写一个16位的控制字,低8位是AD50的控制寄存器初始化值,高8位选择所要初始化的控制寄存器及操作。
图2.硬件启动AD50二次通信时序
AD50的工作过程可分为AD通道工作过程和DA通道工作过程。
AD通道把模拟信号转换成数字信号,并以2进制补码形式表示。
当帧同步信号有效时(FS为低电平),16位(或者15位)数字信号在SCLK的上升沿输出到DOUT引脚,一位数据对应一个SCLK周期。
AD50的DA通道把送人的数字信号转换成模拟信号。
在SCLK的作用下,数字信号通过DIN引脚进人DA通道,每个SCLK的下降沿输人一位数字信号。
DA将输入的数字信号转换成模拟信号输出。
2.2AD50外部连接电路
AD50的前后端信号处理包括两个处理电路:
输人模拟信号的处理电路和依据输出模拟信号的处理电路。
这两个处理电路的主要作用是将信号进行处理,使之更加适合AD和DA的要求。
为了达到更好的信号处理效果,AD50的模拟信号输人一般采用差分输人方式,即使用两个运算放大器,将单端输入信号转换成差分输人信号,电路连接如图所示。
由图可知,单端输人信号经过两个22μF的隔直电容,送人运算放大器的反相端,输出反相信号IMP;IMP再输人到另一个信号的反相端,输出同相信号INP,从而形成差分输人信号INP和IMP。
图中的运算放大器选择的是TI公司的TLC4502,也可以选用其他可替代的运算放大器芯片。
2.32FSK的调制解调电路
频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。
在2FSK中,载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化,则产生二进制移频键控信号(2FSK信号)。
其表示式为
二进制频移键控信号时间波型图如下:
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(a)调频法
图(b)开关法
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
和
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。
图3FSK信号包络解调方框图
设频率
代表数字信号1;
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
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FSK信号为
,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
或
,两路输出的判决准则不变,因此可以判决出FSK信号。
2.42FSK调制电路
要将NRZ码经过2FSK调制成为2FSK信号,我们采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。
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。
时钟脉冲产生和分频器:
图4时钟脉冲和分频器
晶振模块由晶体4096和反相器7474组成,其输出一个矩形脉冲,矩形脉冲经过分频器7474,进行一次分频,把信号送给数字键控开关。
一次分频输出的信号经过二次分频后,也送入数字键控开关,这样两个独立的振荡器就设计好了。
因为要通过选择不同频率的高频振荡信号来实现FSK的调制。
所以我采用2个D触发器7474来进行分频。
其中,U1A是进行2分频的操作,而将它的输出信号作为第2个D触发器的时钟信号,所以U2A是进行4分频的操作。
滤波电路和数字键控开关:
由于分频器产生的信号存在干扰,必须设计滤波电路,滤去不需要的干扰成分。
由芯片4053构成数字键控开关,4053是一个三路二选一模拟开关,通过它对两路输入信号进行输出选择,其功能表如下
图5功能表
图6滤波电路和数字键控开关
如果用数字信号(从4053-ABC端输入)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
“0”对应于
。
这种称为二进制频移键控(2FSK)。
而其振幅和初始相位不变。
其表式为:
式中,A-振幅(
)是个常数,表明码元的包络是矩形脉冲,W1和W0为两个不同的频率的码元的角频率。
2.52FSK解调电路
2FSK信号的解调方法有:
包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零点检测法等,在这个课程设计里我们采用包络检波法。
其图如下所示:
图7带通滤波器
此电路通过上、下两个带通滤波器,滤去带外噪声,滤除掉高次谐波并将校信号放大。
上支路只准许频率为f1的高频信号通过,下支路只准许为
的高频信号通过。
这里我们用放大器741和电容、电阻构成。
由窄带滤波器输出的高频信号通过变容二极管构成的检波器,包络检波器将各自的包络取出至抽样判决器,抽样判决器在抽样脉冲到达时对包络的样值
和
(上边路为
V1,下边路为
)进行判决,判决准则是当抽样值满足
判为
频率代表的数字基带信号,即“1”码;当
时判为
频率代表的数字基带信号,即“0”码。
其电路设计图如下:
图8包络检波器和抽样判决器
若发送端调制有“1”
,“0”
信道噪声
是高斯白噪声,则信道中传输
时的
为
与高斯白噪声
的混合信号,即
。
此信号通过中心频率
的窄带滤波器,输出
和窄带高斯白噪声混合信号;通过中心频率
的窄带滤波器输出是窄带高斯白噪声,注意上下两路噪声的中心频率不同。
上下两路通过各自的包络器进行抽样判决,若此时
,判输出“1”,这是正确接收;若噪声使
判决输出“0”,这是错误接收。
这样便能得到对应于原数字信号的基带脉冲信号,从而达到解调的目的。
总原理图
三、总结与体会
通过本课程设计,我学会了自己分析系统并且如何设计好优良的系统,在这次《通信原理》课程设计中,我练习设计做了2ASK、2FSK、2DPSK、2PSK四种系统的仿真设计,主要将它们进行仿真并比较,以及讨论它们在实际通信系统中的应用前景。
另外,在课程设计中,在信道中加入高斯噪声,并分析噪声对系统的影响以及如何将影响减到最小。
用PROTEL软件进行通信仿真设计,简单、直观,不需要编程,反映的物理概念和现象明确。
通过这一系列仿真设计,我对加强本课程概念和原理的理解能起到很好的作用,同时为毕业后从事与通信相关的实际工作打下了坚实的基础。
两周的课程设计很快就结束了,虽然有点累,但是通过这次课程设计我有了很多收获,学会了如何使用PROTEL这个软件,我不仅巩固了书本上的知识,即时对不懂的地方进行了查漏补缺,而且通过这次课程设计,我懂的了如何去发现问题,解决难题,学会了如何排除不同的故障。
总之,我们的课程设计不仅让我学会了知识,也让我学会了做事的态度,做人的道理,没有成功是不经过努力得来的。
所以我们应该珍惜这次的课程设计,当做自己一次实践的机会。
通过这次课程设计,我学到了很多书本上没有的知识。
锻炼了我们独立思考问题、分析问题、解决问题的能力。
而且本次设计有自己和队友共同完成。
加强了和别人沟通的能力以及团队精神,随我们走向社会是个很好的锻炼。
四、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。
4、施晓红,周佳.精通GUI图形界面编程,北京大学出版社。
5、李建新,刘乃安,刘继平,现代通信系统分析与仿真,西安电子科技大学出版社。
电气与信息工程系课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案的合理性与创造性(10%)
硬件设计或软件编程完成情况(10%)
硬件测试或软件调试结果*(10%)
设计说明书质量(10%)
设计图纸质量(10%)
答辩汇报的条理性和独特见解(10%)
答辩中对所提问题的回答情况(10%)
完成任务情况(10%)
独立工作能力(10%)
出勤情况(10%)
综合评分
指导教师签名:
________________
日期:
________________
注:
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容;
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序:
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件(非16K大小的图纸及程序清单)。
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- 01 通信 原理 课程设计 湖南 工程学院