多電平編碼數字音頻傳輸系統的設計與實現

李兆璽， 黃紅艷, 黃國勇， 高 威， 孫立悅， 陳 黎

(1.吉林大學 a.通信工程學院;b.實驗與設備管理處室，長春 130021;2.石家莊郵電職業技術學院 電信工程系,石家莊 050031)

0 引 言

多電平編碼調制技術與傳統的非歸零碼(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的主要編碼調制方式，其相關技術已成為當前的研究熱點[1-3]。為將這一熱點技術引入到本科生實驗教學中，兼顧本科生專業技術知識的掌握情況，應用《數字電子技術》中的基礎電路設計實現了多電平編碼數字音頻信號傳輸系統，該系統涵蓋了《數字電子技術》課程中的模/數(A/D)、數/模(D/A)轉換、組合邏輯電路設計、時序電路設計、抽樣、量化、編碼等內容[4-6]，具備一定的綜合性。同時，系統的模塊化設計思想能在系統的各階段觀察信號波形變化情況，易于理解各模塊功能和相關理論知識。可以自行設計替換各模塊，通過電路的改進，提高學生的科研能力[7-11]。通過該系統的設計，把科研成果及時轉化到實驗教學中，成功應用于本科生創新實驗中。依托學校實驗技術項目，設計、開發了多電平編碼的綜合數字實驗箱。實踐表明，該實驗在提高學生專業知識綜合運用能力，以及科研能力方面一定成效。

1 系統設計

1.1 系統整體方案

本系統的設計采取模塊化方式，設計了發送端和接收端，各模塊間設置測試點，可在整個通信模擬過程中觀測各階段波形變化。為更直觀的觀察信號的收發情況，在輸入端設計了音頻接口和模擬信號發生器輸入接口，這樣，既可以通過示波器觀察波形，也可以通過揚聲器直接收聽接收音頻信號。另外，各模塊的設計具有擴展性和開放性，可自行設計替換。系統的整體設計方案如圖1所示。系統工作過程如下：首先兩路由兩個手機播放的音頻信號經過3.5 mm音頻接口輸入電路，經A/D轉化為01串碼表示的數字信號，同時，通過振蕩器和分頻器設計了時序電路，獲得bit時鐘和采樣時鐘，為A/D，D/A轉換提供控制信號。數字信號經過多電平編碼后形成由多幅度表達的多電平碼字。這里，采用目前通信中應用廣泛的PAM4(Pulse Amplitude Modulation-4)多電平編碼方式[12-13]。同時，分別從兩路音頻信號的數字串碼中選取1 bit完成映射，通過多電平編碼方式巧妙實現了雙路音頻信號的合路傳輸。在接收端，通過多電平判決解碼，門電路譯碼，D/A轉換，經過功率放大電路最終恢復出兩路音頻信號。

圖1 系統總體設計框圖

1.2 主要功能模塊設計

圖2 傳輸符號電平形成電路

(1)

(2) 調制/解調模塊。要實現多電平編碼調制，需要將bit信息映射到多電平構成的符號集，實現解調需要將接收到的多電平碼進行符號判決，再將判決后的符號譯碼恢復成bit流。這里多電平碼調制/解調的電路實現是設計重點。其中，調制過程由CD40514選1功能實現，判決過程由比較器LM339實現，具體電路如圖3所示。首先，通過5個串聯的二極管的導通電壓獲得等步長的4個標準電平，這4個標準電平即是構成PAM4碼字的4個電平，A/D變換后的兩路串行bit流經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腳的輸出表達式為

(2)

3腳信號即為PAM4調制編碼信號。PAM4信號的判決由比較器實現，通過設計4個比較器中的比較電壓，完成PAM4信號的判決。其中，比較電壓根據比較器同相輸入端的電阻分壓得到，可根據標準電壓的實測值設計R8、R9、R5、R12的電阻值。

圖3 多電平編碼調制/解調電路

(3) 譯碼模塊。譯碼電路采用門電路譯碼，屬于典型的組合邏輯設計過程。設計過程描述如下：比較器的4個輸出端分別為S1、S2、S3、S4，譯碼的bit為B和A(CD4051的9和10腳)，通過列B、A關于S1、S2、S3、S4的真值表(如表1)，列出A、B的表達式為：

(3)

(4)

根據表達式結果選取了非門(74LS04)、或非門(74LS02)、與非門(74LS00)實現全譯碼。在全譯碼過程中，可能會出現競爭冒險現象[15]，學生可以通過組合邏輯電路的設計規則自行設計譯碼電路替換現有模塊，同時分析并消除冒險現象。

2 實物制作

經過模塊設計、整合、制圖、制板、調試最終完成了系統的設計制作，依托學校實驗技術項目，試制了20臺實驗箱供學生綜合實驗使用。實驗箱面板如圖4所示,實驗箱提供了面包板，可供學校擴展設計電路使用。

表1 譯碼電路真值表

圖4 實物圖

3 測試分析

在實驗階段對實物進行了測試，測試了幾個重要模塊節點的波形。圖5為bit時鐘和采樣時鐘實測波形圖，可以看出，在采樣時序一周期內總時鐘有16個高電平，經過疊加后可以得到系統所需的15 bit碼值。其中3 bit用于量化過程，12 bit用于數據輸出，達到了設計目標。圖6為PAM4編碼信號波形，可以清晰地觀測出多電平碼型的時域特點。圖7測試了兩路模擬信號的收/發波形，可從波形直觀觀察到準確的完成了模擬信號的收/發。圖8測試了兩路音頻信號的收發波形，通過功放電路的設計，加入揚聲器可同步收聽到發端的兩路音頻信號。

圖5 bit時鐘和采樣時鐘的波形

圖6 PAM4信號波形

圖7 雙路模擬信號發送和接/收波形

圖8 雙路音頻信號發送和接/收波形

4 結 語

多電平編碼的數字音頻系統可以有效的實現雙路音頻信號的多電平編碼、解碼，以及數字化傳輸和穩定的收/發。學生可以通過設置的各個測試點清晰直觀觀察到信號經過對應功能模塊的變化，實現了數字電路綜合實驗的全面化、系統化的設計目標。同時，該系統具有一定的通用性和擴展性，可以實現各個模塊的獨立設計和替換，在參與實驗過程的同時，能夠提高學生對知識點的理解和實踐能力，為學生提供了易于創新的實踐環境。