模拟电话通信系统的硬件设计和实现 电子信息工程专业.docx

模拟电话通信系统的硬件设计Hardware9SDesignofCommunicationSystems模拟电话通信系统的硬件设计电子信息工程专业摘要随着现代通信技术的飞速发展与日益普及，程控交换是目前模拟电话通信系统中的核心。本文介绍的模拟电话通信系统的硬件设计以amt89c51单片机为中心控制交换芯片MT8816设计实现一种高性价比，实现一对一双工通信的程控交换设备。本文详细阐述了程控电路交换机在交换电话网中的作用、工作原理和系统的组成结构，将程控交换机的硬件设计分为几个功能模块，并分别加以详细地介绍。该系统硬件包括了：以单片机为核心的信号检测、信号音控制电路；双音多频解码电路；交换电路；两个用户接口电路等。关键词AT89C51；程控交换；模拟；硬件HardwaredesignofAnalogtelephonecommunicationsystemAbstract:Withtherapiddevelopmentofmoderncommunicationtechnologyandtheincreasingpopularityofprogram-controlledexchangeisthecoreofthecurrentfieldofcommunications.Analogtelephonecommunicationsystemtoamt89c51microcontrollerhardwaredesignasthecentralcontrolswitchchipMT8816DesignandImplementationofacost-effective,one-duplexcommunicationtoachieveprogram-controlledswitchingequipment.Thispaperdescribestheprogram-control1edcircuitswitchedtelephonenetworkswitchesintherole,workingprincipleandsystemstructure,theprogram-controlledswitches,thehardwaredesignisdividedintoseveralfunctionalmodules,respectively,tointroducethemindetail.Thesystemhardwareincludes:amicrocontrollerasthecoreofthesignaldetection,signaltonecontrolcircuit;DTMFdecodercircuit;switchingcircuit;twouserinterfacecircuit.Keywords:AT89C51>Program-controlledexchange>Simulation>hardware1概述O1.1 通信系统的一般模型01.2 模拟通信系统02模拟电话通信系统硬件组成12. 1系统的框架组成13. 2信号检测、信号音控制电路24. 3信号音电路35. 3.1拨号音产生电路36. 3.2铃流发生器电路47. 3.3信号音控制电路48. 4双音多频解调电路69. 4.1双音多频拨号方式介绍610. 4.2DTMF接收电路611. 交换网络电路712. 5.1MT8816的工作原理713. .2MT8816的接口电路82.6用户接口电路IO结束语12参考文献12附录13致谢错误!未定义书签。1概述1.1 通信系统的一般模型实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。以基本的点对点通信为例,通信系统的组成（通常也称为一般模型）如图1所示。图1图I中，信源（信息源，也称发终端）的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。信源输出的信号称为基带信号。所谓基带信号是指没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。信道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。信宿（也称受信者或收终端）是将复原的原始电信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。图1给出的是通信系统的一般模型，按照信道中所传信号的形式不同，可进一步具体化为模拟通信系统和数字通信系统。1.2 模拟通信系统我们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的组成可由般通信系统模型略加改变而成，如图2所示。这里，一般通信系统模型中的发送设备和接收设备分别为调制器、解调器所代替。对于模拟通信系统，它主要包含两种重要变换。一是把连续消息变换成电信号（发端信息源完成）和把电信号恢复成最初的连续消息（收端信宿完成）。由信源输出的电信号（基带信号）由于它具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中去。因此，模拟通信系统里常有第二种变换，即将基带信号转换成其适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成；在收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。经过调制后的信号通常称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。因而已调信号又常称为领带信号。必须指出，从消息的发送到消息的恢复，事实上并非仅有以上两种变换，通常在一个通信系统里可能还有滤波、放大、天线辐射与接收、控制等过程。对信号传输而言，由于上面两种变换对信号形式的变化起着决定性作用，它们是通信过程中的重要方面。而其它过程对信号变化来说，没有发生质的作用，只不过是对信号进行了放大和改善信号特性等。2模拟电话通信系统硬件组成2.1 系统的框架组成模拟电话通信系统包括交换机的所有基本组成部分：信号检测、信号音控制系统;接口和交换网络，能够完成交换机处理各类呼叫的基本操作。图3是在整个模拟电话通信的硬件结构框图。控制系统的CPU采用单片机89C51,接收器接收DTMF信号，经过译码后得到电话号码，检测电路检测电话的摘/挂机状态，键盘输入进行功能设定，1.ED显示电话号码和通话时间；接口部分由两个用户接口组成，接口电路将电话话音模拟信号编码为PCM数字信号，进入交换网络，交换网络采用一个8*16的接线器。信号音电路产生拨号音、忙音、催挂音、回铃音以及振铃音等。2.2 信号检测、信号音控制电路信号检测电路用来检测用户的状态并接收用户拨打的电话号码并根据用户状态启动相应的信号音控制信号。以2个通话用户为例，采用AT89C51的Pl与用户接口电路相连,用以检测是否有用户呼叫并控制DTMF解码电路。P1.0、P1.l用于接收主、被叫方的摘挂机信号，用户摘机则话机经P1.OP1.1向AT89C51发出一高电平信号，此时表示有用户呼叫。PI.3、P1.4通过模拟开关CD4066控制主、被叫双方的DTMF解码电路，高电平有效。采用8255的PC口接收话机经用户接口发送来的电话号码，单片机中断时从PC口读人数据。信号音控制电路采用8255芯片的PA、PB口进行控制,PAO、PAI作为铃流控制输出信号，PA4、PA5用作回铃音控制信号，PBO.PBl为忙控制信号，PB4、PB5为拨号音控制信号，各控制信号均为高电平有效。因此，1片8255可同时对2对用户的信号音进行控制。单片机根据检测到的用户状态产生相应信号音的控制信号，以便向用户端发送信号音。信号检测、信号音控制电路如图4所示。AT89C5IB!?PI2JP13lIP164PI7即g号土主主均长-21.J9-窗12口01234567POPOPOPO4POWPOP2P2P2P2P2P2P2P2741.S37361I234S7OI234567PBPBPBPBPB4PBPB6PBPCPCPCPCPCPCPCPC2.3信号音电路图5是整个系统在工作过程中的信号流程图。可见在用户话机与交换机之间的线路上，要沿两个方向传递话音信号。同时为了接通一个电话，除了上述情况之外，还必须一套信令系统，来指导呼叫过程的进行。交换机向电话机发送的信令有：1 .拨号音：持续的450Hz正弦波。2 .忙音：450Hz正弦波,每导通0.35S后间断0.35s3 .回铃音：450Hz正弦波，每导通Is后间断4so呼叫信号4 .振铃：25HZ正弦波，每导通Is后间断4s。摘机拨号音信号号码信号回铃音信号振铃信号应答信号话音信号通话建立摘机忙音信号先挂机挂机信号2.3.1拨号音产生电路主叫用户摘机，CPU检测到该用户有摘机状态后，立即送出的音信号，表示可以拨号，在CPU中央处理器收到第一个拨号音后，应立即切断该信号。在本系统中拨号音采用450Hz2V的正弦波。图6和图7分别是生成该信号的原理框图和原理图。555定时振荡电路的输出频率f=1.49(Ra+2Rb)*C632.3.2铃流发生器电路本系统的振铃信号即铃流为25Hz75V的交流信号。铃流发生电路如图8。图82.3.3信号音控制电路忙音和回铃音只要对450Hz的拨号音进行适当的控制，使其按要求进行适当的通断。图9中的方波1和方波2来自控制系统。图10为电子开关原理图。方波12. 4双音多频解调电路2.1.1 双音多频拨号方式介绍在电话拨号中有两种拨号方式，即脉冲拨号和双音多频(DTMF)拨号。双音多频拨号方式是指用两个特定的单音频信号的组合来代表数字或功能，两个单音频的频率不同，所代表的数字和功能不同。在双音多频电话中有16个按键，其中有十个数字键0-9,6个功能键*、#、A、B、C、D,按照组合的原理，它必须有8种不同的单音频信号。将这8种不同频率的信号分为高频群和低频群两组，再从两组中各任取一个进行组合，就得到16种不同的组合，代表了16种不同的数字或功能。由于脉冲拨号方式是按一定的断续比和速率来断续电话线环路而发出脉冲的，它与拨号脉冲相比有如下缺点：1 .拨号速度慢。2 .脉冲信号在线路的传输中容易产生波形畸变，可能产生错号。3 .脉冲信号的幅度较容易产生线间干扰。基于以上原因，本系统中采用现在电话中常用的DTMF拨号发送器。2. 4.2DTMF接收电路图11是DTMF接收电路的内部工作原理图。DTMF接收器先经高、低群带通滤波器进行f1./fH区分，然后过零检测、比较，得到相应于DTMF的两路F1.、FH信号输出。该两路信号经译码、锁存、缓冲，恢复成对应于16种信号音对的4bit二进制码。图11本系统中，DTMF接收器采用的是MT8870芯片，MT8870是双列直插DTMF解码专用电路。双音多频解调电路如图12所示。CD4066丁T-u.56i2一图12T89C51的Pl.3、P1.4接模拟开关CD4066的13>12脚来控制MT8870的解码,高电平时允许解码电路工作。2个用户的双音多频信号分别由CD4066的1、11脚输入,经过MT8870内部的前置放大器送入高低频组带通滤波器，再经幅度检测器进入译码电路，最后从输出端输出相应的编码。采用CD4066还可以起到隔离话音信号与DTMF信号的作用以免对解码造成干扰。MT8870的STD接T89C51的INTO,当STD电平由低变高时引起单片机中断读取电话号码。2.5 交换网络电路一个程控交换机之所以能够实现交换功能，其根本原因就在于有一个交换网络，这是任何交换机都必须有的部分。不同的交换机采用的交换网络不同，但是其根本原理都是一致的。当前的空分交换机采用的交换网络是电子接线器，我们选择CMOS大规模集成芯片MT8816o2.6 .1MT8816的工作原理MT8816为8X16的模拟交换矩阵内含7-128线地址译码器、控制锁存器和8×16交叉点开关阵列。它可以通过数据控制信号和地址线接通或断开任意一个交叉点。同时芯片具有保持功能，直到新的数据信号改变交叉点的开关状态。STCSCO1.OCO1.7七位地址DlREST7-128地址译码器8*16交叉点开关阵列-128地址译码器ROWOROW15图13图13是MT8816的内部工作原理，左面部分为控制部分，由一个7-128的地址译码器进行7T28线转换，8X16个触发器组成一个控制锁存器，每一个触发器控制一个相应交叉点的电子接点。右面为8×16的模拟交换矩阵。它是由8X16=128个电子接点组成。任何一个电子接点闭合就可以接通相应的CO1.和ROW0在电路处于正常的开、关工作状态下，CS应为高电平，RESET为低电平，电子交叉点的开关状态保持为原状态。当CS为低电平时，地址码数据DI在ST下降沿时刻被异步写入锁存单元，并控制所选择交叉点的通断，若DI为高电平，则相应开关导通,若DI为低电平，则开关截止。在ST变为高电平以后，锁存器保持原状态，交叉点的通断也不会发生变化。2.5.2MT8816的接口电路如图14是交换矩阵的接线图。AX0-AX3是列地址输入；AY0-AY2为行地址输入;SI和DI分别为控制信号和数据信号，它们来自控制系统。1VT-4VT分别为四个用户接口的去话，1VR-4VR为四个用户接口的来话。ZTl和ZT2为两个中继接口的去话，ZRl和ZR2为两个中继接口的来话；ITXP和3TXP分别为用户接口1和用户接口3的去话的PCM码，而IRXP和3RXP分别为用户接口1和用户接口3的来话的PCM码；SP+和SP-为语音提示音。当两个电话正常通话时，要将两个电话的来话和去话交叉连接。例如，电话用户1和电话用户2通话，要将电话用户1的来话接到电话用户2的去话，而电话用户2的来话则连接到电话用户1的去话。当进行PCM编码通话时，也是如此。当需要进行语音提示的时候，只要将SP+接入中继接口的来话端即可。AROWOAAROWlAROW2ARow3»数据传输门C01.7C01.6C01.5COMC01.3CO1.lC01.2CO1.OROWOROWI地址洋码和锁存tAC01.2ACO1.lACO1.O图14电子接线器是空分交换网络的核心部件，我们采用MT8816来完成通话双方线路的接续。MT8816芯片是8*16的模拟开关阵列,8路列输人/输出（Y0Y7）和16路行输入/输出（X（TXl5）形成模拟交换矩阵，芯片有保持电路，可保持任一交叉点处于接通状态，直至接收到复原信号为止，其引脚如图15所示。3Ts3224-VT4TJT3TTTt3-oRSTSTBDArrA353-f300123-45G01>-3-456/S0-W丫yyyhy5-居21To15TT333T302Ss-P-ToTT'vT89C51的PO通过列地址线AY0AY2和行地址线AX(TAX3控制列线与行线选择需要接通的交叉点(例如，要接通YO和Xl间的交叉点需向AY0AY2送000,向AX(TAX3送1000)。DATA为交叉点开关控制位，高电平时交叉点开关连通相反则断开。RST为复位信号输人，高电平时全部开关均置于截止状态。STB为选通脉冲输人，AT89C51送人列、行地址码后还必须给STB端送一脉冲信号同时DATA置高电平，才能使MT8816完成接续工作，MT8816拆线复原的过程与接续过程类似，此时只需将DATA置低电平即可。交换网络向用户客户端发送的各种信号音的接通和切断可通过相应的信号音控制信号(8255的PA、PB)选通CD4066来实现。如图16所示。用户接口电路是由用户线接口芯片MH88612和PCM编解码芯片TP3067组成，两者共同完成BORSeHT七项功能。图17是用户接口电路的原理图，振铃控制信号选择是向用户线馈电(-48v)还是加载铃流(25Hz75V),用户线状态向控制系统送出电话的摘、挂机状态。龄流发生器馈电电源A发送码流振铃控用户线状制信号态信号接收码流图17用户线接口检测到用户1摘机后,MH88612的SHK引脚输出一高电平至P1.0,AT89C51将8255的PB4端置高电平控制交换网络向用户1送拨号音，单片机收到正确号码后控制系统发出振铃控制信号即将8255的PAl置高电平并由MH88612的RC脚输入，驱动继电器K闭合向用户线接口2送振铃，同时将PA4置高电平控制交换网络向用户1送回铃音。当用户2摘机时，其接口电路的脚输入一高电平至P1.1,单片机控制MT8816接续通话线路。当任一方挂机时其相应的SHK输出一低电平控制系统向另一方送催挂音。线路连接成功后，话音信号经MH88612的VX输出送人TP3067中进行编码。PCM编码器的抽样频率为8kHz由帧同步脉冲FSX获得，FSX除提供PCM抽样频率外，还选通输出缓存器使缓存器中的8B,自FSX下降沿开始以主时钟2.048Mbs的速率由DX端输出至交换网络，主时钟由MC1.KX脚输入。PCM解码是指将来自交换网络的主时钟频率的PCM信号在帧同步信号FSR的下降沿开始时由DR接收至输人缓存器中，其主时钟频率由MC1.KR输入仍为2.048Mbs0用户接口电路如图18所示。图18结束语该系统在硬件上采用了和程控交换机一样的体系结构，在具体实现过程中通过单片机系统来简化控制部分，交换部分采用交换机的专用芯片。调试成功后，可以实现2部话机的互相呼叫及通话，工作可靠，实时性高，特别是对于控制部分的设计的简化，不仅降低了设备的成本，而且具有交换式工作的特点。然而，该系统仅仅考虑了两个用户的交换使用，对语音编码处理方面没有详细的设计。参考文献1张京红.模拟交换集成电路UT8816的应用J.电信技术，1991(7)2李朝青.PC机及单片机数据通信技术M.北京：北京航空航天大学出版社，20023王平.小型程控电路交换机的硬件设计U1.福建师范大学，20094别学军.程控交换实验仿真系统的开发与研究J.西安理工大学，20035王勇.基于单片机控制的小型简易程控交换系统U1.中国地质大学，2003附录