音頻信號數字化光纖傳輸實(shí)驗儀信道的設計與實(shí)現

摘要：介紹音頻信號數字通信實(shí)驗裝置設計的實(shí)現過(guò)程，該裝置以FPGA為主控芯片，以光纖為通訊媒介，將音頻信號數字化后通過(guò)光纖實(shí)現傳輸，并對電路各個(gè)模塊的功能及實(shí)現加以說(shuō)明實(shí)驗裝置采用分模塊式的設計，設計思路靈活，結構清晰。電路在A(yíng)ltium Designer和Prote 199中設計完成，并且在QuartusⅡ環(huán)境下用VerilogHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程并對程序進(jìn)行仿真。該裝置已做成了實(shí)體，可以實(shí)現音頻信號的發(fā)射與接收，達到設計提出的要求。
關(guān)鍵詞：音頻信號；數字信號；FPGA；光纖通信；VerilogHDL

隨著(zhù)光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖的應用越來(lái)越廣泛。光纖以其頻帶寬、容量大、衰減小等優(yōu)點(diǎn)給通信領(lǐng)域帶來(lái)的改革和創(chuàng )新，形成了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。數字通信對比傳統的模擬通信有精度高、靈活性高、可靠性強、易大規模集成、時(shí)分復用、功能穩定等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應用在工業(yè)、醫療、軍事等諸多領(lǐng)域。數字光纖通信兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，必將成為通信領(lǐng)域的發(fā)展方向。
音頻信號的光纖傳輸有快速、準確、信息量大、質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗領(lǐng)域，可以快速準確的傳遞聲音信號，給實(shí)驗者更可靠的信息。在應用領(lǐng)域，可以實(shí)時(shí)、長(cháng)距離傳遞聲音，即節約成本，又有高的傳輸質(zhì)量。因此，音頻信號的光纖傳輸的研究與實(shí)現，將方便人們的學(xué)習、工作和生活。
文中是針對普通高等工科類(lèi)學(xué)校中非通信與信息等專(zhuān)業(yè)學(xué)科的普及性實(shí)驗教學(xué)科目所研制的《音頻信號的數字光纖通信實(shí)驗儀》創(chuàng )新實(shí)踐項目。教學(xué)科目及實(shí)驗儀器的推出，有利于幫助高等學(xué)?；A性學(xué)科實(shí)驗課程的提升，豐富與完善實(shí)驗課內容，使學(xué)生了解現代技術(shù)的發(fā)展與相關(guān)知識的掌握。

1 系統的硬件結構
信號通道由兩大部分組成：光接收器和光發(fā)射器。兩者之間以光纖連接。光發(fā)射和光接收器的工作原理相互關(guān)聯(lián)，一個(gè)是另一個(gè)的逆過(guò)程；光發(fā)射器是將音頻的電信號轉變成光信號，光接收器是將光信號轉變成音頻的電信號。
光發(fā)射器由以下幾個(gè)電路模塊組成：濾波放大、A／D轉換、控制部分、并／串轉換、電／光模塊部分。

光接收器由光／電轉換部分、串／并轉換、控制部分、D／A轉換、模擬信號放大部分組成，如圖2所示。

2 系統電路設計
2．1 電 源
整套電路僅以12 V直流電源供電，內部集成電路需用到5 V、3．3 V、1．5 V的電源。5 V電源由L7805三態(tài)穩壓電源提供．3．3 V和1．5 V分別由ASM117-3．3和ASM117-1．5提供。
2．2 FPGA的數據處理及實(shí)時(shí)控制部分
電路采用型號為EP1C3T100C8的FPGA為主控芯片，直接由18．432 MHz的晶振提供工作時(shí)鐘。芯片共有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端，選其一輸入晶振時(shí)鐘。由于FPGA各個(gè)模塊都用到，所以各個(gè)模塊都需要供電和接地。
FPGA內部有一個(gè)鎖相環(huán)，可以進(jìn)行分頻和倍頻，以得到不同的頻率。發(fā)射器中模數轉換芯片和并／串轉換芯片的時(shí)鐘由FPGA提供。由于模數轉換后輸出串行的二進(jìn)制數據，而并／串轉換器的數據輸入為10位，所以需要在FPGA中進(jìn)行編碼。編碼應盡量避免多個(gè)“0”和“1”連續出現，采用8810B編碼方式。FPGA內部先將串行二進(jìn)制數據分解為8位并行數據，再經(jīng)過(guò)8810B編碼輸出。接收器中FPGA提供數模轉換器工作時(shí)鐘和串并轉換器的參考時(shí)鐘，并將串并轉換器輸出的十位數據解碼，還原為八位數據傳輸給數模轉換器。FPGA的功能由Verilog編程實(shí)現，程序采用AS(主動(dòng))配置方式下載到FPGA。
2．3 音頻信號的處理及采集
音頻信號經(jīng)聲道分離、濾波、放大，由模數轉換集成芯片采集轉換成數字信號。
2．3．1 濾波放大部分
在對音頻信號進(jìn)行采樣時(shí)，當信號中含有大于二分之一的采樣頻率，如果采樣頻率不夠高，就會(huì )產(chǎn)生混疊信號?；殳B信號不能用數字濾波方法除去，需要用硬件濾波。A／D轉換的采樣頻率需要高于音頻信號最高頻率的2～10倍。根據所需音頻信號的帶寬以及抗混疊濾波所需要的特性，設計一個(gè)二階的低通有源濾波器，截止頻率大于或等于20 kHz，設計電路如圖3所示。

同時(shí)，該電路具有隔離放大作用，集成運放采用的是單電源供電的LM324。這是一款四運放集成、功耗低、電壓工作范圍寬的放大器。它具有內部補償的能力和較低的輸入偏置電流。工作于5 V電源時(shí)具有1．2 MtIz的帶寬。由于音頻信號是兩路輸入(或多聲道)，且人耳能夠分辨的聲音帶寬為20Hz～20 kHz，所以L(fǎng)M324足以滿(mǎn)足要求。電路如圖3所示，此為單側聲道，另一聲道與其相同。
圖中LM324采用5 V電源供電，一級放大。信號輸入時(shí)要加人一定的電壓偏置。