音頻信號數字化光纖傳輸實驗儀信道的設計與實現

摘要：介紹音頻信號數字通信實驗裝置設計的實現過程，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光纖實現傳輸，并對電路各個模塊的功能及實現加以說明實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Altium Designer和Prote 199中設計完成，并且在QuartusⅡ環境下用VerilogHDL語言進行編程并對程序進行仿真。該裝置已做成了實體，可以實現音頻信號的發射與接收，達到設計提出的要求。
關鍵詞：音頻信號；數字信號；FPGA；光纖通信；VerilogHDL

隨著光纖技術的不斷發展，光纖的應用越來越廣泛。光纖以其頻帶寬、容量大、衰減小等優點給通信領域帶來的改革和創新，形成了一個新興產業。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、時分復用、功能穩定等優點而被廣泛的應用在工業、醫療、軍事等諸多領域。數字光纖通信兼有兩者的優點，必將成為通信領域的發展方向。
音頻信號的光纖傳輸有快速、準確、信息量大、質量高的優點。在實驗領域，可以快速準確的傳遞聲音信號，給實驗者更可靠的信息。在應用領域，可以實時、長距離傳遞聲音，即節約成本，又有高的傳輸質量。因此，音頻信號的光纖傳輸的研究與實現，將方便人們的學習、工作和生活。
文中是針對普通高等工科類學校中非通信與信息等專業學科的普及性實驗教學科目所研制的《音頻信號的數字光纖通信實驗儀》創新實踐項目。教學科目及實驗儀器的推出，有利于幫助高等學校基礎性學科實驗課程的提升，豐富與完善實驗課內容，使學生了解現代技術的發展與相關知識的掌握。

1 系統的硬件結構
信號通道由兩大部分組成：光接收器和光發射器。兩者之間以光纖連接。光發射和光接收器的工作原理相互關聯，一個是另一個的逆過程；光發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。
光發射器由以下幾個電路模塊組成：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的數據處理及實時控制部分
電路采用型號為EP1C3T100C8的FPGA為主控芯片，直接由18．432 MHz的晶振提供工作時鐘。芯片共有兩個時鐘輸入端，選其一輸入晶振時鐘。由于FPGA各個模塊都用到，所以各個模塊都需要供電和接地。
FPGA內部有一個鎖相環，可以進行分頻和倍頻，以得到不同的頻率。發射器中模數轉換芯片和并／串轉換芯片的時鐘由FPGA提供。由于模數轉換后輸出串行的二進制數據，而并／串轉換器的數據輸入為10位，所以需要在FPGA中進行編碼。編碼應盡量避免多個“0”和“1”連續出現，采用8810B編碼方式。FPGA內部先將串行二進制數據分解為8位并行數據，再經過8810B編碼輸出。接收器中FPGA提供數模轉換器工作時鐘和串并轉換器的參考時鐘，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編程實現，程序采用AS(主動)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
在對音頻信號進行采樣時，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，就會產生混疊信號。混疊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，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LM324足以滿足要求。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。信號輸入時要加人一定的電壓偏置。