光通信中高速音頻采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

摘 要：本文應(yīng)用數(shù)字復(fù)用的相關(guān)技術(shù)，根據(jù)無(wú)線激光通信系統(tǒng)的基本原理，給出了光通信中高速采集數(shù)字音頻信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：光通信 音頻采集 時(shí)分復(fù)用

中圖分類號(hào)：TN912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（c）-0007-02

在通信系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為了擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率，就需要把若干中低速數(shù)字信號(hào)合并成為一個(gè)高速數(shù)字信號(hào)以便在高速信道中傳輸，傳到對(duì)方后再分離還原為各個(gè)中低速數(shù)字信號(hào)。數(shù)字復(fù)用就是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的分支數(shù)字信號(hào)按時(shí)分復(fù)用方式匯接成為單一的復(fù)合數(shù)字信號(hào)，這個(gè)過(guò)程則為數(shù)字復(fù)用。本系統(tǒng)就是應(yīng)用數(shù)字復(fù)用相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種多路大容量數(shù)字信號(hào)的采集與傳輸。

1 高速音頻采集與恢復(fù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了對(duì)音頻數(shù)據(jù)流先時(shí)分復(fù)用的以面積換取速度的設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)了最高達(dá)600Mb/s的處理能力。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)可完成語(yǔ)音信息的采集與傳送。信源是所傳遞信息的產(chǎn)生地，信號(hào)可能是模擬的，也可能是數(shù)字的。信源編碼器負(fù)責(zé)把信源發(fā)出的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的信息序列。主要包括模擬/數(shù)字（A/D）變換和壓縮編碼處理，用于提高系統(tǒng)的有效性。編碼后的信號(hào)加載到調(diào)制器上，調(diào)制器的激勵(lì)電流就隨信號(hào)的變化規(guī)律而變化；通過(guò)激光器調(diào)制、驅(qū)動(dòng)電路對(duì)激光器進(jìn)行直接光強(qiáng)度調(diào)制后，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器發(fā)光；最后經(jīng)過(guò)光學(xué)天線變換成發(fā)散角很小的己調(diào)光束向空間發(fā)射出去。本文主要介紹音頻的采集與激光傳輸部分。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)

以CPLD產(chǎn)品之一EPM240T100C5為控制核心，控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可完成32位高速同步A/D轉(zhuǎn)換。圖2為A/D轉(zhuǎn)換電路相關(guān)的系統(tǒng)外圍電路框圖。外部模擬輸入通過(guò)調(diào)理電路后，CPLD控制多路切換器選通某一路信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換部分，并/串轉(zhuǎn)換部分采用HDMP1023芯片。

1.1.1 A/D模塊

本模塊用到了音頻功率放大芯片LM353芯片對(duì)音頻信號(hào)做輸入放大。系統(tǒng)采用CS5340CZZ音頻A/D轉(zhuǎn)換芯片。該芯片可執(zhí)行采樣，模/數(shù)轉(zhuǎn)換和抗混疊濾波功能。音頻左右聲道輸入信號(hào)通過(guò)LM353放大電路放大后進(jìn)入到CS5340CZZ芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。CS5340CZZ通過(guò)4號(hào)、8號(hào)、7號(hào)與2號(hào)引腳主時(shí)鐘（MCLK），系統(tǒng)時(shí)鐘（SCLK），音頻左右通道時(shí)鐘（LRCK）和音頻數(shù)據(jù)（SDOUT）給CPLD進(jìn)行數(shù)據(jù)的串行輸入。CS5340CZZ的電路圖如圖2所示。

對(duì)于有效數(shù)據(jù)位數(shù)數(shù)N可采用下列公式計(jì)算：

其中，SINAD代表信號(hào)噪聲失真比。

在某一結(jié)構(gòu)下的A/D有效分效率可用以下兩種不同單位來(lái)表示：bitrms和microvoltsrms。它們可從轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)直接計(jì)算出來(lái)，可以由給定的轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)靜態(tài)計(jì)算出來(lái)。知道了其中一個(gè)，另一個(gè)可用下列公式來(lái)計(jì)算：

1.1.2 CPLD和并/串轉(zhuǎn)換模塊

CPLD選用的是EPM240T100C5，該芯片有240個(gè)邏輯單元，動(dòng)態(tài)功耗較低，資源比較豐富100個(gè)可用I/O引腳，支持高達(dá)300 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘，具有實(shí)時(shí)在系統(tǒng)可編程能力，很好的滿足了設(shè)計(jì)的需要。串/并轉(zhuǎn)換傳輸通過(guò)HDMP1032芯片完成。HDMP1032芯片可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)鏈路的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

復(fù)接的實(shí)現(xiàn)方法：A/D模塊電路將四路音頻信號(hào)、RS422串口信號(hào)分別經(jīng)過(guò)音頻放大電路，A/D轉(zhuǎn)換和RS422串口電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化和電平轉(zhuǎn)換成能夠被系統(tǒng)處理的數(shù)字信號(hào)，然后共同通過(guò)CPLD，根據(jù)協(xié)議按順序發(fā)給HDMP1032進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換復(fù)用處理，HDMP1032內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）和時(shí)鐘發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生發(fā)射芯片工作所需要的全部?jī)?nèi)部時(shí)鐘。通過(guò)所需的并行碼率設(shè)置控制信號(hào)TXDIV1/0的選擇，PLL鎖住TXCLK輸入的時(shí)鐘，鎖相完成后，芯片開(kāi)始接收并行碼率在TXDIV1/0設(shè)定范圍內(nèi)的信號(hào)。又根據(jù)控制位的狀態(tài)，決定信號(hào)類型、進(jìn)行編碼復(fù)用、串行輸出形成一路高速數(shù)字差分信號(hào)進(jìn)行傳輸。

1.2 音頻數(shù)據(jù)傳輸

音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)采集，編碼后為基帶信號(hào)，對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制后的數(shù)據(jù)以高速率發(fā)送給激光器，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)激光器進(jìn)行直接光強(qiáng)度調(diào)制后，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器發(fā)光；最后經(jīng)過(guò)光學(xué)天線變換成發(fā)散角很小的己調(diào)光束向空間發(fā)射出去。

2 系統(tǒng)仿真

先對(duì)各支路信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)后再進(jìn)行復(fù)接，其關(guān)鍵在于復(fù)接時(shí)序的控制。S0，S1，S2，S3分別表示四路音頻信號(hào)，按照總線時(shí)分復(fù)用的原理，復(fù)接成為1路信號(hào)fujiout輸出。仿真結(jié)果如圖3。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于CPLD與復(fù)用技術(shù)的高速音頻數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。高速音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗、航天測(cè)量、圖像、多媒體等多種領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，而且應(yīng)用背景對(duì)高速音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通過(guò)速率提出了越來(lái)越高的要求，為了更好地發(fā)揮其性能，開(kāi)發(fā)基于數(shù)字復(fù)用技術(shù)的高速音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足對(duì)不斷發(fā)展的高速音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求，是當(dāng)今音頻數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]趙同剛，高英，周鑫，等.模擬數(shù)字信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].半導(dǎo)體光電，2010（2）：126-128.

[2]王佳.激光通信中傳輸音-視頻信號(hào)的技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春理工大學(xué)，2010.

[3]孫玉.數(shù)字復(fù)接技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社.