多電平編碼數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李兆璽， 黃紅艷, 黃國(guó)勇， 高 威， 孫立悅， 陳 黎

(1.吉林大學(xué) a.通信工程學(xué)院;b.實(shí)驗(yàn)與設(shè)備管理處室，長(zhǎng)春 130021;2.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信工程系,石家莊 050031)

0 引 言

多電平編碼調(diào)制技術(shù)與傳統(tǒng)的非歸零碼(Non-Return-to-Zero,NRZ)相比，具有更高的譜效率，將成為下一代光通信系統(tǒng)的主要編碼調(diào)制方式，其相關(guān)技術(shù)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1-3]。為將這一熱點(diǎn)技術(shù)引入到本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，兼顧本科生專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識(shí)的掌握情況，應(yīng)用《數(shù)字電子技術(shù)》中的基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多電平編碼數(shù)字音頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)涵蓋了《數(shù)字電子技術(shù)》課程中的模/數(shù)(A/D)、數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換、組合邏輯電路設(shè)計(jì)、時(shí)序電路設(shè)計(jì)、抽樣、量化、編碼等內(nèi)容[4-6]，具備一定的綜合性。同時(shí)，系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)思想能在系統(tǒng)的各階段觀察信號(hào)波形變化情況，易于理解各模塊功能和相關(guān)理論知識(shí)?？梢宰孕性O(shè)計(jì)替換各模塊，通過(guò)電路的改進(jìn)，提高學(xué)生的科研能力[7-11]。通過(guò)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，把科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，成功應(yīng)用于本科生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中。依托學(xué)校實(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了多電平編碼的綜合數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱。實(shí)踐表明，該實(shí)驗(yàn)在提高學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用能力，以及科研能力方面一定成效。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體方案

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采取模塊化方式，設(shè)計(jì)了發(fā)送端和接收端，各模塊間設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，可在整個(gè)通信模擬過(guò)程中觀測(cè)各階段波形變化。為更直觀的觀察信號(hào)的收發(fā)情況，在輸入端設(shè)計(jì)了音頻接口和模擬信號(hào)發(fā)生器輸入接口，這樣，既可以通過(guò)示波器觀察波形，也可以通過(guò)揚(yáng)聲器直接收聽(tīng)接收音頻信號(hào)。另外，各模塊的設(shè)計(jì)具有擴(kuò)展性和開(kāi)放性，可自行設(shè)計(jì)替換。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)工作過(guò)程如下：首先兩路由兩個(gè)手機(jī)播放的音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)3.5 mm音頻接口輸入電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化為01串碼表示的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)，通過(guò)振蕩器和分頻器設(shè)計(jì)了時(shí)序電路，獲得bit時(shí)鐘和采樣時(shí)鐘，為A/D，D/A轉(zhuǎn)換提供控制信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)多電平編碼后形成由多幅度表達(dá)的多電平碼字。這里，采用目前通信中應(yīng)用廣泛的PAM4(Pulse Amplitude Modulation-4)多電平編碼方式[12-13]。同時(shí)，分別從兩路音頻信號(hào)的數(shù)字串碼中選取1 bit完成映射，通過(guò)多電平編碼方式巧妙實(shí)現(xiàn)了雙路音頻信號(hào)的合路傳輸。在接收端，通過(guò)多電平判決解碼，門(mén)電路譯碼，D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)功率放大電路最終恢復(fù)出兩路音頻信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 主要功能模塊設(shè)計(jì)

圖2 傳輸符號(hào)電平形成電路

(1)

(2) 調(diào)制/解調(diào)模塊。要實(shí)現(xiàn)多電平編碼調(diào)制，需要將bit信息映射到多電平構(gòu)成的符號(hào)集，實(shí)現(xiàn)解調(diào)需要將接收到的多電平碼進(jìn)行符號(hào)判決，再將判決后的符號(hào)譯碼恢復(fù)成bit流。這里多電平碼調(diào)制/解調(diào)的電路實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。其中，調(diào)制過(guò)程由CD40514選1功能實(shí)現(xiàn)，判決過(guò)程由比較器LM339實(shí)現(xiàn)，具體電路如圖3所示。首先，通過(guò)5個(gè)串聯(lián)的二極管的導(dǎo)通電壓獲得等步長(zhǎng)的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電平，這4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電平即是構(gòu)成PAM4碼字的4個(gè)電平，A/D變換后的兩路串行bit流經(jīng)CD4051的9、10腳，利用芯片的4選1功能編碼成多電平碼，由CD4051的3腳輸出，3腳的輸出表達(dá)式為

(2)

3腳信號(hào)即為PAM4調(diào)制編碼信號(hào)。PAM4信號(hào)的判決由比較器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)4個(gè)比較器中的比較電壓，完成PAM4信號(hào)的判決。其中，比較電壓根據(jù)比較器同相輸入端的電阻分壓得到，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電壓的實(shí)測(cè)值設(shè)計(jì)R8、R9、R5、R12的電阻值。

圖3 多電平編碼調(diào)制/解調(diào)電路

(3) 譯碼模塊。譯碼電路采用門(mén)電路譯碼，屬于典型的組合邏輯設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)過(guò)程描述如下：比較器的4個(gè)輸出端分別為S1、S2、S3、S4，譯碼的bit為B和A(CD4051的9和10腳)，通過(guò)列B、A關(guān)于S1、S2、S3、S4的真值表(如表1)，列出A、B的表達(dá)式為：

(3)

(4)

根據(jù)表達(dá)式結(jié)果選取了非門(mén)(74LS04)、或非門(mén)(74LS02)、與非門(mén)(74LS00)實(shí)現(xiàn)全譯碼。在全譯碼過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象[15]，學(xué)生可以通過(guò)組合邏輯電路的設(shè)計(jì)規(guī)則自行設(shè)計(jì)譯碼電路替換現(xiàn)有模塊，同時(shí)分析并消除冒險(xiǎn)現(xiàn)象。

2 實(shí)物制作

經(jīng)過(guò)模塊設(shè)計(jì)、整合、制圖、制板、調(diào)試最終完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作，依托學(xué)校實(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目，試制了20臺(tái)實(shí)驗(yàn)箱供學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)使用。實(shí)驗(yàn)箱面板如圖4所示,實(shí)驗(yàn)箱提供了面包板，可供學(xué)校擴(kuò)展設(shè)計(jì)電路使用。

表1 譯碼電路真值表

圖4 實(shí)物圖

3 測(cè)試分析

在實(shí)驗(yàn)階段對(duì)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試了幾個(gè)重要模塊節(jié)點(diǎn)的波形。圖5為bit時(shí)鐘和采樣時(shí)鐘實(shí)測(cè)波形圖，可以看出，在采樣時(shí)序一周期內(nèi)總時(shí)鐘有16個(gè)高電平，經(jīng)過(guò)疊加后可以得到系統(tǒng)所需的15 bit碼值。其中3 bit用于量化過(guò)程，12 bit用于數(shù)據(jù)輸出，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖6為PAM4編碼信號(hào)波形，可以清晰地觀測(cè)出多電平碼型的時(shí)域特點(diǎn)。圖7測(cè)試了兩路模擬信號(hào)的收/發(fā)波形，可從波形直觀觀察到準(zhǔn)確的完成了模擬信號(hào)的收/發(fā)。圖8測(cè)試了兩路音頻信號(hào)的收發(fā)波形，通過(guò)功放電路的設(shè)計(jì)，加入揚(yáng)聲器可同步收聽(tīng)到發(fā)端的兩路音頻信號(hào)。

圖5 bit時(shí)鐘和采樣時(shí)鐘的波形

圖6 PAM4信號(hào)波形

圖7 雙路模擬信號(hào)發(fā)送和接/收波形

圖8 雙路音頻信號(hào)發(fā)送和接/收波形

4 結(jié) 語(yǔ)

多電平編碼的數(shù)字音頻系統(tǒng)可以有效的實(shí)現(xiàn)雙路音頻信號(hào)的多電平編碼、解碼，以及數(shù)字化傳輸和穩(wěn)定的收/發(fā)。學(xué)生可以通過(guò)設(shè)置的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)清晰直觀觀察到信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)功能模塊的變化，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電路綜合實(shí)驗(yàn)的全面化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)，該系統(tǒng)具有一定的通用性和擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)和替換，在參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程的同時(shí)，能夠提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和實(shí)踐能力，為學(xué)生提供了易于創(chuàng)新的實(shí)踐環(huán)境。