模擬電話通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計和實現(xiàn) 電子信息工程專業(yè)

模擬電話通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計Hardware’sDesignofCommunicationSystems模擬電話通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計電子信息工程專業(yè)[摘要]隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展與日益普及，程控交換是目前模擬電話通信系統(tǒng)中的核心。本文介紹的模擬電話通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計以amt89c51單片機為中心控制交換芯片MT8816設(shè)計實現(xiàn)一種高性價比，實現(xiàn)一對一雙工通信的程控交換設(shè)備。本文詳細(xì)闡述了程控電路交換機在交換電話網(wǎng)中的作用、工作原理和系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，將程控交換機的硬件設(shè)計分為幾個功能模塊，并分別加以詳細(xì)地介紹。該系統(tǒng)硬件包括了：以單片機為核心的信號檢測、信號音控制電路；雙音多頻解碼電路；交換電路；兩個用戶接口電路等。[關(guān)鍵詞]AT89C51；程控交換；模擬；硬件HardwaredesignofAnalogtelephonecommunicationsystemAbstract:Withtherapiddevelopmentofmoderncommunicationtechnologyandtheincreasingpopularityofprogram-controlledexchangeisthecoreofthecurrentfieldofcommunications.Analogtelephonecommunicationsystemtoamt89c51microcontrollerhardwaredesignasthecentralcontrolswitchchipMT8816DesignandImplementationofacost-effective,one-duplexcommunicationtoachieveprogram-controlledswitchingequipment.Thispaperdescribestheprogram-controlledcircuitswitchedtelephonenetworkswitchesintherole,workingprincipleandsystemstructure,theprogram-controlledswitches,thehardwaredesignisdividedintoseveralfunctionalmodules,respectively,tointroducethemindetail.Thesystemhardwareincludes:amicrocontrollerasthecoreofthesignaldetection,signaltonecontrolcircuit;DTMFdecodercircuit;switchingcircuit;twouserinterfacecircuit.Keywords:AT89C51、Program-controlledexchange、Simulation、hardware

目錄TOC\o"1-3"\p""\h\z\u1概述11.1通信系統(tǒng)的一般模型11.2模擬通信系統(tǒng)12模擬電話通信系統(tǒng)硬件組成22.1系統(tǒng)的框架組成22.2信號檢測、信號音控制電路22.3信號音電路32.3.1撥號音產(chǎn)生電路42.3.2鈴流發(fā)生器電路52.3.3信號音控制電路62.4雙音多頻解調(diào)電路62.4.1雙音多頻撥號方式介紹72.4.2DTMF接收電路72.5交換網(wǎng)絡(luò)電路82.5.1MT8816的工作原理82.5.2MT8816的接口電路92.6用戶接口電路11結(jié)束語13參考文獻(xiàn)13附錄14致謝141概述1.1通信系統(tǒng)的一般模型實現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng)。以基本的點對點通信為例，通信系統(tǒng)的組成（通常也稱為一般模型）如圖1所示。信源信源發(fā)送設(shè)備信道接受設(shè)備信宿噪聲源圖1圖1中，信源（信息源，也稱發(fā)終端）的作用是把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號，如電話系統(tǒng)中電話機可看成是信源。信源輸出的信號稱為基帶信號。所謂基帶信號是指沒有經(jīng)過調(diào)制（進行頻譜搬移和變換）的原始電信號，其特點是信號頻譜從零頻附近開始，具有低通形式。

發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的原始電信號（基帶信號）變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式。

信道是指信號傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線的，也可以是無線的，甚至還可以包含某些設(shè)備。圖中的噪聲源，是信道中的所有噪聲以及分散在通信系統(tǒng)中其它各處噪聲的集合。

在接收端，接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，即進行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號來。

信宿（也稱受信者或收終端）是將復(fù)原的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息，如電話機將對方傳來的電信號還原成了聲音。

圖1給出的是通信系統(tǒng)的一般模型，按照信道中所傳信號的形式不同，可進一步具體化為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。1.2模擬通信系統(tǒng)我們把信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)的組成可由一般通信系統(tǒng)模型略加改變而成，如圖2所示。這里，一般通信系統(tǒng)模型中的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備分別為調(diào)制器、解調(diào)器所代替。

對于模擬通信系統(tǒng)，它主要包含兩種重要變換。一是把連續(xù)消息變換成電信號（發(fā)端信息源完成）和把電信號恢復(fù)成最初的連續(xù)消息（收端信宿完成）。由信源輸出的電信號（基帶信號）由于它具有頻率較低的頻譜分量，一般不能直接作為傳輸信號而送到信道中去。因此，模擬通信系統(tǒng)里常有第二種變換，即將基帶信號轉(zhuǎn)換成其適合信道傳輸?shù)男盘枺@一變換由調(diào)制器完成；在收端同樣需經(jīng)相反的變換，它由解調(diào)器完成。經(jīng)過調(diào)制后的信號通常稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號有三個基本特性：一是攜帶有消息，二是適合在信道中傳輸，三是頻譜具有帶通形式，且中心頻率遠(yuǎn)離零頻。因而已調(diào)信號又常稱為頻帶信號。信源信源調(diào)制器信道解調(diào)器信宿噪聲源 圖2必須指出，從消息的發(fā)送到消息的恢復(fù)，事實上并非僅有以上兩種變換，通常在一個通信系統(tǒng)里可能還有濾波、放大、天線輻射與接收、控制等過程。對信號傳輸而言，由于上面兩種變換對信號形式的變化起著決定性作用，它們是通信過程中的重要方面。而其它過程對信號變化來說，沒有發(fā)生質(zhì)的作用，只不過是對信號進行了放大和改善信號特性等。2模擬電話通信系統(tǒng)硬件組成2.1系統(tǒng)的框架組成模擬電話通信系統(tǒng)包括交換機的所有基本組成部分：信號檢測、信號音控制系統(tǒng)；接口和交換網(wǎng)絡(luò)，能夠完成交換機處理各類呼叫的基本操作。圖3是在整個模擬電話通信的硬件結(jié)構(gòu)框圖。鈴流及信號音電路鈴流及信號音電路用戶線接口1用戶線接口2PCM編解碼交換網(wǎng)絡(luò)單片機DIMF解碼編碼時鐘電路圖3控制系統(tǒng)的CPU采用單片機89C51，接收器接收DTMF信號，經(jīng)過譯碼后得到電話號碼，檢測電路檢測電話的摘/掛機狀態(tài)，鍵盤輸入進行功能設(shè)定，LED顯示電話號碼和通話時間；接口部分由兩個用戶接口組成，接口電路將電話話音模擬信號編碼為PCM數(shù)字信號，進入交換網(wǎng)絡(luò)，交換網(wǎng)絡(luò)采用一個8*16的接線器。信號音電路產(chǎn)生撥號音、忙音、催掛音、回鈴音以及振鈴音等。2.2信號檢測、信號音控制電路信號檢測電路用來檢測用戶的狀態(tài)并接收用戶撥打的電話號碼并根據(jù)用戶狀態(tài)啟動相應(yīng)的信號音控制信號。以2個通話用戶為例，采用AT89C51的P1口與用戶接口電路相連,用以檢測是否有用戶呼叫并控制DTMF解碼電路。P1.0、P1.1用于接收主、被叫方的摘掛機信號，用戶摘機則話機經(jīng)P1.0\P1.1向AT89C51發(fā)出一高電平信號，此時表示有用戶呼叫。P1.3、P1.4通過模擬開關(guān)CD4066控制主、被叫雙方的DTMF解碼電路,高電平有效。采用8255的PC口接收話機經(jīng)用戶接口發(fā)送來的電話號碼,單片機中斷時從PC口讀人數(shù)據(jù)。信號音控制電路采用8255芯片的PA、PB口進行控制,PA0、PA1作為鈴流控制輸出信號，PA4、PA5用作回鈴音控制信號，PB0、PB1為忙控制信號，PB4、PB5為撥號音控制信號，各控制信號均為高電平有效。因此，1片8255可同時對2對用戶的信號音進行控制。單片機根據(jù)檢測到的用戶狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)信號音的控制信號，以便向用戶端發(fā)送信號音。信號檢測、信號音控制電路如圖4所示。圖42.3信號音電路圖5是整個系統(tǒng)在工作過程中的信號流程圖?？梢娫谟脩粼挋C與交換機之間的線路上，要沿兩個方向傳遞話音信號。同時為了接通一個電話，除了上述情況之外，還必須一套信令系統(tǒng)，來指導(dǎo)呼叫過程的進行。交換機向電話機發(fā)送的信令有：1.撥號音：持續(xù)的450Hz正弦波。2.忙音：450Hz正弦波,每導(dǎo)通0.35s后間斷0.35s3.回鈴音：450Hz正弦波，每導(dǎo)通1s后間斷4s。4.振鈴：25Hz正弦波，每導(dǎo)通1s后間斷4s。用戶線用戶線用戶線主叫用戶被叫用戶呼叫信號撥號音信號號碼信號回鈴音信號話音信號忙音信號掛機信號振鈴信號應(yīng)答信號通話建立摘機摘機先掛機圖52.3.1撥號音產(chǎn)生電路主叫用戶摘機，CPU檢測到該用戶有摘機狀態(tài)后，立即送出的音信號，表示可以撥號，在CPU中央處理器收到第一個撥號音后，應(yīng)立即切斷該信號。在本系統(tǒng)中撥號音采用450Hz/2V的正弦波。圖6和圖7分別是生成該信號的原理框圖和原理圖。555定時震蕩電路555定時震蕩電路濾波電路450Hz方波450Hz方波圖6圖7555定時振蕩電路的輸出頻率f＝1.49/(Ra+2Rb)*C632.3.2鈴流發(fā)生器電路本系統(tǒng)的振鈴信號即鈴流為25Hz/75V的交流信號。鈴流發(fā)生電路如圖8。圖82.3.3信號音控制電路忙音和回鈴音只要對450Hz的撥號音進行適當(dāng)?shù)目刂?，使其按要求進行適當(dāng)?shù)耐〝唷D9中的方波1和方波2來自控制系統(tǒng)。圖10為電子開關(guān)原理圖。UUTUT方波1方波20.35s0.35s1s4s圖9通斷通斷控制方波1撥號音忙音通斷控制方波2撥號音回鈴音圖102.4雙音多頻解調(diào)電路2.4.1雙音多頻撥號方式介紹在電話撥號中有兩種撥號方式，即脈沖撥號和雙音多頻（DTMF）撥號。雙音多頻撥號方式是指用兩個特定的單音頻信號的組合來代表數(shù)字或功能，兩個單音頻的頻率不同，所代表的數(shù)字和功能不同。在雙音多頻電話中有16個按鍵，其中有十個數(shù)字鍵0-9，6個功能鍵*、#、A、B、C、D，按照組合的原理，它必須有8種不同的單音頻信號。將這8種不同頻率的信號分為高頻群和低頻群兩組，再從兩組中各任取一個進行組合，就得到16種不同的組合，代表了16種不同的數(shù)字或功能。由于脈沖撥號方式是按一定的斷續(xù)比和速率來斷續(xù)電話線環(huán)路而發(fā)出脈沖的,它與撥號脈沖相比有如下缺點：1.撥號速度慢。2.脈沖信號在線路的傳輸中容易產(chǎn)生波形畸變，可能產(chǎn)生錯號。3.脈沖信號的幅度較容易產(chǎn)生線間干擾?；谝陨显颍鞠到y(tǒng)中采用現(xiàn)在電話中常用的DTMF撥號發(fā)送器。2.4.2DTMF接收電路圖11是DTMF接收電路的內(nèi)部工作原理圖。DTMF接收器先經(jīng)高、低群帶通濾波器進行fL/fH區(qū)分，然后過零檢測、比較，得到相應(yīng)于DTMF的兩路FL、FH信號輸出。該兩路信號經(jīng)譯碼、鎖存、緩沖，恢復(fù)成對應(yīng)于16種信號音對的4bit二進制碼。高阻帶通高阻帶通濾波器低阻帶通濾波器過零檢測器過零檢測器碼變換器鎖存與緩沖輸入電路圖11本系統(tǒng)中，DTMF接收器采用的是MT8870芯片，MT8870是雙列直插DTMF解碼專用電路。雙音多頻解調(diào)電路如圖12所示。圖12 AT89C51的P1.3、P1.4接模擬開關(guān)CD4066的13、12腳來控制MT8870的解碼，高電平時允許解碼電路工作。2個用戶的雙音多頻信號分別由CD4066的1、11腳輸入，經(jīng)過MT8870內(nèi)部的前置放大器送入高低頻組帶通濾波器，再經(jīng)幅度檢測器進入譯碼電路，最后從輸出端輸出相應(yīng)的編碼。采用CD4066還可以起到隔離話音信號與DTMF信號的作用以免對解碼造成干擾。MT8870的STD接AT89C51的INT0，當(dāng)STD電平由低變高時引起單片機中斷讀取電話號碼。2.5交換網(wǎng)絡(luò)電路一個程控交換機之所以能夠?qū)崿F(xiàn)交換功能，其根本原因就在于有一個交換網(wǎng)絡(luò)，這是任何交換機都必須有的部分。不同的交換機采用的交換網(wǎng)絡(luò)不同，但是其根本原理都是一致的。當(dāng)前的空分交換機采用的交換網(wǎng)絡(luò)是電子接線器，我們選擇CMOS大規(guī)模集成芯片MT8816。2.5.1MT8816的工作原理MT8816為8×16的模擬交換矩陣內(nèi)含7-128線地址譯碼器、控制鎖存器和8×16交叉點開關(guān)陣列。它可以通過數(shù)據(jù)控制信號和地址線接通或斷開任意一個交叉點。同時芯片具有保持功能，直到新的數(shù)據(jù)信號改變交叉點的開關(guān)狀態(tài)。圖13圖13是MT8816的內(nèi)部工作原理，左面部分為控制部分，由一個7-128的地址譯碼器進行7-128線轉(zhuǎn)換，8×16個觸發(fā)器組成一個控制鎖存器，每一個觸發(fā)器控制一個相應(yīng)交叉點的電子接點。右面為8×16的模擬交換矩陣。它是由8×16＝128個電子接點組成。任何一個電子接點閉合就可以接通相應(yīng)的COL和ROW。在電路處于正常的開、關(guān)工作狀態(tài)下，CS應(yīng)為高電平，RESET為低電平，電子交叉點的開關(guān)狀態(tài)保持為原狀態(tài)。當(dāng)CS為低電平時，地址碼數(shù)據(jù)DI在ST下降沿時刻被異步寫入鎖存單元，并控制所選擇交叉點的通斷，若DI為高電平，則相應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通，若DI為低電平，則開關(guān)截止。在ST變?yōu)楦唠娖揭院?，鎖存器保持原狀態(tài)，交叉點的通斷也不會發(fā)生變化。2.5.2MT8816的接口電路如圖14是交換矩陣的接線圖。AX0-AX3是列地址輸入；AY0-AY2為行地址輸入；SI和DI分別為控制信號和數(shù)據(jù)信號，它們來自控制系統(tǒng)。1VT-4VT分別為四個用戶接口的去話，1VR-4VR為四個用戶接口的來話。ZT1和ZT2為兩個中繼接口的去話，ZR1和ZR2為兩個中繼接口的來話；1TXP和3TXP分別為用戶接口1和用戶接口3的去話的PCM碼，而1RXP和3RXP分別為用戶接口1和用戶接口3的來話的PCM碼；SP+和SP-為語音提示音。當(dāng)兩個電話正常通話時，要將兩個電話的來話和去話交叉連接。例如，電話用戶1和電話用戶2通話，要將電話用戶1的來話接到電話用戶2的去話，而電話用戶2的來話則連接到電話用戶1的去話。當(dāng)進行PCM編碼通話時，也是如此。當(dāng)需要進行語音提示的時候，只要將SP+接入中繼接口的來話端即可。圖14電子接線器是空分交換網(wǎng)絡(luò)的核心部件，我們采用MT8816來完成通話雙方線路的接續(xù)。MT8816芯片是8*16的模擬開關(guān)陣列,8路列輸人/輸出（Y0~Y7）和16路行輸入/輸出(X0~X15)形成模擬交換矩陣，芯片有保持電路，可保持任一交叉點處于接通狀態(tài)，直至接收到復(fù)原信號為止，其引腳如圖15所示。圖15AT89C51的P0口通過列地址線AY0~AY2和行地址線AX0~AX3控制列線與行線選擇需要接通的交叉點(例如，要接通Y0和X1間的交叉點需向AY0~AY2送000，向AX0~AX3送1000)。DATA為交叉點開關(guān)控制位，高電平時交叉點開關(guān)連通相反則斷開。RST為復(fù)位信號輸人，高電平時全部開關(guān)均置于截止?fàn)顟B(tài)。STB為選通脈沖輸人，AT89C51送人列、行地址碼后還必須給STB端送一脈沖信號同時DATA置高電平，才能使MT8816完成接續(xù)工作，MT8816拆線復(fù)原的過程與接續(xù)過程類似，此時只需將DATA置低電平即可。交換網(wǎng)絡(luò)向用戶客戶端發(fā)送的各種信號音的接通和切斷可通過相應(yīng)的信號音控制信號（8255的PA、PB口）選通CD4066來實現(xiàn)。如圖16所示。圖162.6用戶接口電路用戶接口電路是由用戶線接口芯片MH88612和PCM編解碼芯片TP3067組成，兩者共同完成BORSCHT七項功能。圖17是用戶接口電路的原理圖，振鈴控制信號選擇是向用戶線饋電（-48v）還是加載鈴流（25Hz/75V），用戶線狀態(tài)向控制系統(tǒng)送出電話的摘、掛機狀態(tài)。圖17用戶線接口檢測到用戶1摘機后，MH88612的SHK引腳輸出一高電平至P1.0，AT89C51將8255的PB4端置高電平控制交換網(wǎng)絡(luò)向用戶1送撥號音，單片機收到正確號碼后控制系統(tǒng)發(fā)出振鈴控制