专利名称：音频信号数字化光纤传输通信实验仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种物理实验仪器，尤其涉及一种进行音频信号数字光纤传输的实验仪器。
背景技术：
“音频信号的光纤传输”实验是近十年来，在国内理工科大学开设的基础性实验课目之一。工作原理是利用音频电压信号控制发射端的发光二极管工作电流大小，使之改变发光二极管发出光的强弱，再把这个受控的光信号通过光导纤维进行信号传输。在接收端利用另一种工作方式的电光二极管，把光纤传输过来的光信号转换为电流信号，再进行电流与电压转换的技术处理，恢复原先的音频电压信号。整个体系的工作原理与技术处理都是以模拟电子技术为基础，进行模拟信号的传输处理，核心技术问题是解决音频电压信号的幅值与光强弱的线性关系，保证信息真实有效长距离的信号传输。但是，不管采用怎样的技术方法，模拟体系中的抗干扰能力弱、易失真、动态范围小和保密性差等一系列问题，在基础理论上是无法回避，在应用技术处理上是无法解决的。随着科学技术的不断发展，特别是在信息化快速发展的现阶段，以数字技术为核心的数字体系，正在广泛地普及与应用，其关键是彻底解决了模拟体系存在一系列的问题，使得保密性强、易存储、标准化、通用化、模块化等现代电子技术特征得以实现。因此，有必要研制基于数字光纤传输技术的专用通信实验仪。
发明内容
技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种可以进行模拟音频信号产生、音频信号数字技术处理、数字信号光纤传输，并可模拟音频信号还原等一系列过程的通信实验仪，该实验仪可用于数字信号通信基本原理的基础性实验教学，也可用于基础学科普及性实验教学。技术方案
为了解决上述的技术问题，本发明的音频信号数字化光纤传输通信实验仪，包括信号转换与发射装置、信号转换与接收装置，所述的信号转换与发射装置和信号转换与接收装置之间通过光纤连接，所述的信号转换与发射装置包括音频信号输入模块、滤波放大模块、A/D转换模块、第一 FPGA控制模块、并/串转换模块、电/光转换模块、液晶显示屏与面板控制电路；信号转换与接收装置包括光/电转换模块、串/并转换模块、第二 FPGA控制模块、D/A转换模块、滤波模块、功率放大模块和音频信号输出模块；其中，外界的声音信号通过音频信号输入模块、输入滤波放大模块，再依次经过A/D转换模块、第一 FPGA控制模块、并/串转换模块、电/光转换模块转换为数字光信号，所述的数字光信号通过光纤输入信号转换与接收装置中的光/电转换模块，经光/电转换模块处理得到的数字电信号再依次经过串/并转换模块、第二 FPGA控制模块、D/A转换模块、滤波模块、功率放大模块并通过输出模块输出音频信号。更进一步地，所述的信号转换与发射装置还包括内置的信号发生器和音乐存储器，所述的信号发生器和音乐存储器分别与音频信号输入模块连接。这样，本发明的音频信号数字化光纤传输通信实验仪音频信号既可以由外部接入，也可以由仪器本身内置的信号源发生，为用户提供了多种选择。更进一步地，所述的信号转换与发射装置还包括信号测量模块，所述的信号测量模块检测音频信号并显示信号参数。本发明的实验仪在工作过程中，不仅进行实时信号传输，而且可以通过该测量模块实时进行信号测量，并通过一个液晶屏显示相关结果(I)传输信号类型；(2)信号变化一个周期的采样点数；(3)采样点之间的最小相隔时间值；(4)每个采样点的数字量值；(5)每个采样点的二进制数码输出的时序波形，可通过外接的示波器进行测试和显示，直接观测每个采样点的二进制数字码的时序波形，观测数字信号的波形组合形态，使得抽象的数字信号形象化直观化，测试得到模拟量值与数字量值的对比关系。更进一步地，实验仪内还设置有为各模块提供工作电压的直流电源。本发明的音频信号数字化光纤传输通信实验仪中，其主体结构可以视为由信号发射装置、信号接收装置和传输光缆三部组成，信号传输通道由信号转换与发生装置、信号转换与接收装置中的放大器、滤波器、模数转换器、数模转换器、并/串转换器、串/并转换器、可编程逻辑器件FPGA芯片及芯片的读写接口、光电转换器、电光转换器、传输光缆等构成；除此之外，其还设有各种信号的输入输出测试端口、各项控制的接口电路、显示接口电路、多种触摸按键与液晶显示屏等，以便于操作者的操作和对实验仪的控制。本发明采用VerilogJlDL语言对可编程逻辑器件FPGA芯片进行编程设计，完成编码、解码、同步识别、液晶驱动等信号传输的技术处理，同时建立信号检测的功能，最终实现整机的各项实用功能与性能技术指标。更进一步地，为了符合与适应实验教学内容的基本要求，本发明的实验仪还具备必要的辅助性功能；如声音的播放、声波的监测、高低频的鉴别等等，具备正弦信号发生器、音频信号的功率放大器、音乐存储器等功能性基本单元模块，以满足与完善各项实验使用的配套所用。有益效果
本发明的音频信号数字化光纤传输通信实验仪通过模拟音频信号产生、数字信号技术处理、数字光纤传输、音频模拟信号还原及声音的播放重现等电子技术处理，把数字信号的光纤传输的完整的通信过程得以有效展示，并对传输信号进行实时测量，获取信号的相关参数与实验数据，具备教学示范的作用和实验的作用。集现代电子技术与数字通信技术的特点与优点于一身，在对音频信号数字化处理及数字信号光纤传输方面，具有独特的教学示范效果。它可以引导实验者，由浅入深的教学实践和深入浅出的渐进式学习。不仅可以帮助学习者深刻认识模拟变量与数字变量，以及二者在形式上的区别与内在的相互联系；而且可以使其深入了解二者之间的自然演化与时代变迁，在技术进步与科技发展上的巨大作用和长远意义。使学习者不仅可以获得现代通信技术的基本概念与基础理论等初步知识；而且提升了实验仪器的技术水平和丰富了实验教学科目的内容。
图I 本发明一个实施例的原理图2 滤波放大模块电路图3 A/D转换模块电路图4 并/串转换模块电路图5 光发射模块电路图6 光电转换模块电路图7 串/并转换模块电路；
图8 D/A转换模块电路图9 系统码制设计框图10 8B/10B编码模块逻辑图11 10B/8B解码模块逻辑图12 8B10B编码流程图。图中标号说明R1至R17为第一至第十七电阻，Cl至C21为第一至第二^^一电容，LI至L2为第一至第二电感，Ul为LM324型运算放大器芯片，U2为CS5342型模数转换集成芯片，U3为LV1023A型串化集成芯片，U4与U5均为HNMS-XEMC41XSC20型光纤双向一体化收发模块芯片，U6为LV1224A型解串集成芯片，U7为CS4334型数模转换集成芯片，+3. 3为正3. 3V电压接入端，+5为正5V电压接入端，GND为接地符号，AGND为模拟地符号，DGND为数字地符号。
具体实施例方式以下结合附图对具体的技术方案进行详细说明
如图I所示，本实例的音频信号数字化光纤传输通信实验仪由信号转换与发射装置I和信号转换与接收装置2组成，其中，信号转换与发射装置I由信号发生器、音乐存储器、滤波放大处理模块、A/D转换模块、第一 FPGA控制模块、并/串转换模块、电/光转换模块、液晶显示屏与控制面板等组成；信号转换与接收装置2由光/电转换模块、串/并转换模块、第二 FPGA控制模块、D/A转换模块、模拟信号滤波器、功率放大模块等组成。信号转换与发射装置I和信号转换与接收装置2之间由光导纤维传输光缆相连接。本实例仪器内部备有二组12V开关稳压直流源，提供给整体电路模块工作的电压；部分芯片需要的5V、3. 3V和I. 5V电压，再分别由L7805型、ASM117-3. 3型和ASM117-1. 5型稳压电源芯片，将12V电压逐级转换稳压输出提供。如图2所示，在滤波放大模块对音频信号进行采样时，并且当信号中含有大于二分之一的采样频率时，如果采样频率不够高，就会产生混叠信号。混叠信号不能用数字滤波方法除去，需要用硬件滤波。A/D转换的采样频率需要高于音频信号最高频率的2 10倍。根据所需音频信号的带宽以及抗混叠滤波所需要的特性，设计一个二阶的低通有源滤波器，截止频率大于或等于20kHZ。同时，该电路具有隔离放大作用，集成运放采用的是单电源供电的LM324型芯片。其特点是四运放集成、功耗低、电压工作范围宽的放大器，具有内部补偿的能力和较低的输入偏置电流。工作于5V电源时具有1.2MHZ的带宽。音频信号的声音带宽为20Hz 20kHz，这对运放的精确度和建立速度要求并不是很高，LM324能够满足要求,5V电源供电,一级放大。信号输入时要加入一定的电压偏置。如图3所示，A/D转换模块采用Cirrus Logic公司出品的专业音频处理集成芯片CS5342来实现。具有双模拟输入通道，24位串行口数字输出，其工作时钟频率设定为18. 432MHz,由FPGA芯片提供。信号由AINL和AINR管脚之一输入，SDOUT输出转换后的24位串行二进制数据，LRCK和SCLK输出采样频率。MO和Ml脚分别接高、低电平，以保证芯片工作在双倍速模式上。另外，RST脚置高电平，各类参考电压引脚加入适当的滤波电容，使芯片稳定且正确地工作。如图4所示，并/串转换模块采用串化器SN65LV1023A集成芯片实现，其对应接收端由解串器SN65LV1224A集成芯片完成。SN65LV1023A可以将10位并行数据转换为串行差分数据流，该差分数据流可以由SN65LV1224A还原为10位的并行数据。这一组芯片内部有锁相环，可以为数据输出自己匹配时钟。串化器SN65LV1023A参考时钟选为18. 432MHZ，数据在该时钟频率下输入,其芯片内部匹配产生数据输出时钟,每一个10位并行数据转换为12位串行数据，其中多出一个起始位和一个终止位，所以有效频率为184. 32M。解串器的参考时钟定为18.432MHZ，以满足数据传输需求。由于音频信号是实时不断的，所产生的数据流连续进行，所以电路不能设置进入高阻态或省电模式，因此LV1023的DEN和PWRDN都置高电位。串行数据的准确传输需要串化器和解串器同步，该组芯片采用的是随机同步方式。串化器的SYNCl和SYNC2悬空。解串器的LOCK输入到FPGA以对数据传输进行实施控制。如图I和图5所示，本实例的信号转换与发射装置I (发送端)和信号转换与接收装置2 (接收端)之间采用单纤进行信号传输，为了把光信号传输到接收模块，需要将差分电压数据流转换成光信号，此功能通过一个光发射模块实现，如图5所示，本实施例采用HNMS-XEMC41XSC20型芯片转换完成，为工作波长为T1310nm/R1550nm的单纤双向一体化收发集成电路模块，将电信号差分数据流转成光数据信号流。其中，差分电压数据流由TD+和TD-输入。如图6所示，光信号传输到信号转换与接收装置2的接收端后，需要通过光/电转换模块还原为电信号，即差分电压数据流。本实施例采用HNMS-XEMC41XSC20型芯片转换完成。工作波长是T1310nm/R1550nm的单纤双向一体化收发集成电路模块，将光信号转换为电信号。转换后的差分信号由RD+和RD-输出。如图7所示，本实例中的串并转化模块采用与发射端中串化器SN65LV1023A相匹配的解串器SN65LV1224A完成。发送端中串化器将10位并行数据转换为串行的差分数据流。因此，在接收端中需用相应的解串器，将串行差分数据流还原为并行数据。SN65LV1224A内部有锁相环，在接收数据流时可以根据数据的频率自行匹配接收时钟，外界只需为其提供参考时钟。此处参考时钟选为18. 432MHZ，由FPGA控制部分提供。芯片还匹配了与解串后的数据同步的时钟，以助于转换后的并行数据输出。为了保证音频信号的连续性和实时性，需避免芯片处于省电模式或高阻模式。因此PWRDN和REN需接高电平。RCLK-R/F接高电平，即选择时钟上升沿输出数据。
该组芯片有两种同步方式快速同步和随机同步。快速同步是由串化器发送一组由连续的六个“I”和“O”组成的同步信号，解串器收到信号后锁定数据时钟，锁定完成之前LOCK保持高电平，同步完成后跳变为低电平。同步信号的发送是由串化器的SYNCl和SYNC2控制的，只要两者之一置高电平持续时间超过6个时钟周期，串化器就开始连续发送同步信号。快速同步具有快速准确的优点，但在长距离的信号传输中，光纤只传递数据，无法很好的传递串化器和解串器的SYNC和LOCK信号。因此采用随机同步方式。随机同步方式串化器不需发送同步信号，解串器直接对数据流进行锁定，实现同步，锁定丢失后，解串器会重新锁定时钟。将LOCK接到FPGA以进行实时控制。如图8所示,D/A转换模块采用Cirrus Logic公司出品的专业音频信号处理芯片CS4334。该芯片具有完善的立体声DAC系统，抗干扰能力强，失真噪声小，采用单电压+5V电源，由于采样频率为96KHz，故芯片的主时钟MCLK选择为192*96KHz=18. 432MHz,由FPGA提供。芯片具有两种时钟模式，即外部串行时钟模式和内部串行时钟模式。当芯片工作在外部串行时钟模式下时，去加重滤波器不能被访问，且外部串行时钟易被干扰，故本装置设计时采用了内部串行时钟模式，串行时钟SCLK在内部产生，并与主时钟MCLK决定左右声道输入的时钟RLCK同步。信号经数模转化后，分别由AOUTL和AOUTR输出双声道模拟信号，经低通滤波后输出，满量程最大电压输出值3. 5V。为了能够推动大功率的负载，可接功放电路进行声音信号的放大。信号转换与发射装置I和信号转换与接收装置2中的数据处理和实时控制，采用型号为EP1C3T100C8的Altera Cyclone FPGA为主控芯片。直接由18. 432MHz的晶振提供工作时钟。芯片共有两个时钟输入端，选其一输入晶振时钟。由于芯片中的各个单兀都用到，所以各个单元都需要供电和接地。芯片内部有一个锁相环，可以进行分频和倍频，得到所需的不同频率。发射模块中模数转换芯片和并/串转换芯片的时钟由此提供。同理，接收模块中数模转换芯片的工作时钟和串并转换芯片的参考时钟，由接收模块的FPGA芯片提供。FPGA芯片完成编码、解码、液晶屏显示控制和各项功能的识别与执行等任务，由VerilogJlDL编程实现，程序采用AS (主动)配置方式下载到FPGA芯片中。如图9所示，仪器是基于FPGA芯片完成SB / 10B编解码过程首先信号转换与发射装置I的FPGA芯片把串行的SB数据转换成并行数据，经片中的SB / 10B编码模块中完成编码后，再将10B数据进行并串转换生成利于传输的10B串行数据，这样SB / 10B编码和10B并串转换构成SB / 10B编码装置。编码端发送的10B串行信号经过传输线路传输后被10B数据串并行转换器所接收，转换完成的10B并行数据再通过信号转换与接收装置2的FPGA芯片中的10B / SB解码模块解码完成，还原为原始数据。这样10B串并行数据转换到10B / SB解码模块就构成了 10B / SB解码装置。8B/10B编码是高速串行通讯采用的编码方式之一。将8位数据转换成10位的数据，使转换后的数据流中“O”和“I”的数量平衡，保证传输的直流成分接近0，基线漂移减至最小。既避免发送过程中因过多重复的出现“O”或“I”而发生的错误，也避免因接收端时钟漂移或同步丢失而引起数据丢失。它所具有DC补偿功能，能够保证链路中不随着时间推移而出现DC偏移，提高线路传输的性能，有利于接收器更准确的捕捉同步时钟。而且采用特定的码元可以使接收端更准确地对准码元。
如图10所示，8B10B编码可以看成是5B6B和3B4B编码的组合而成，组合过后有些编码可能有两个值，“ I ”和“O”的差值称为平衡度，用RD-表不平衡度为+2或O, RD+表不平衡度-2或O。将转换后的数据按平衡度分为RD-和RD+两列。设变量DISPIN表示正在转换的数的平衡度，DISP0UT表示下一个转换的数的平衡度。初始时设DISPIN与DISP0UT相等，先从RD-中开始转换，如果转换后的数“O”和“I”的数量相等，继续在RD-列中转换下一个数，如果“O”和“ I”的数不等，则转到RD+列中转换。同理在RD+列中，如果“0”、“ I”个数相等则继续在RD+中，否则换到RD-中。编码过程如图12流程图所示。图11为10B/8B解码模块逻辑图。解码过程将10位数据的前六位和后四位分别按照5B6B和3B4B的列表解码即可。本实例的实验仪器除了上述单元电路外，还有其它电路配套进行。这部分电路由液晶显示驱动电路、音乐存储器、正弦波信号发生器、功率放大器、开关电源及扬声器等构成；本实例可选择存储音乐或外接音乐信号，通过仪器的扬声器或接耳机，可以清晰收听音乐，具有普通音响的效果；外接示波器进行音频信号监测，跟踪信号的变化情况，可以达到信号识别的观察效果，不仅直观认识声音与电信号之间的关系，同时可以增加整个实验过程的趣味性。
权利要求
1.一种音频信号数字化光纤传输通信实验仪，包括信号转换与发射装置(I)和信号转换与接收装置(2)，所述的信号转换与发射装置(I)与信号转换与接收装置(2)之间通过光纤连接，其特征在于，所述的信号转换与发射装置(I)包括音频信号输入模块、滤波放大模块、A/D转换模块、第一 FPGA控制模块、并/串转换模块、电/光转换模块、液晶显示屏与面板控制电路；信号转换与接收装置(2)包括光/电转换模块、串/并转换模块、第二 FPGA控制模块、D/A转换模块、滤波器、功率放大模块和音频信号输出模块；其中，外接声音信号通过音频信号输入模块输入滤波放大模块，再依次经过A/D转换模块、第一 FPGA控制模块、并/串转换模块、电/光转换模块转换为数字光信号，所述的数字光信号输入光纤输入信号转换与接收装置(2)中的光/电转换模块，经光/电转换模块处理得到的数字电信号，所述的数字电信号再依次经过串/并转换模块、第二 FPGA控制模块、D/A转换模块、滤波器、功率放大模块并通过输出模块输出音频信号。
2.如权利要求I所述的音频信号数字化光纤传输通信实验仪，其特征在于，所述的信号转换与发射装置(I)还包括信号发生器和音乐存储器，所述的信号发生器和音乐存储器分别与音频信号输入模块连接。
3.如权利要求I或2所述的音频信号数字化光纤传输通信实验仪，其特征在于，所述的信号转换与发射装置(I)还包括检测音频信号并显示信号参数与数字量时序波形的信号测量模块。
4.如权利要求I所述的音频信号数字化光纤传输通信实验仪，其特征在于，所述的信号转换与接收置(2)还包括扬声器，所述的扬声器与音频信号输出模块连接。
5.如权利要求I所述的音频信号数字化光纤传输通信实验仪，其特征在于，还包括提供模块工作电压的直流电源。
全文摘要
本发明公开了一种包括信号转换与发射装置(1)和信号转换与接收装置(2)，所述的信号转换与发射装置(1)与信号转换与接收装置(2)之间通过光纤连接，由音频信号输入模块、滤波放大模块、A/D转换模块、第一FPGA控制模块、并/串转换模块、电/光转换模块、液晶显示屏与面板控制电路等部分组成。本发明的音频信号数字化光纤传输通信实验仪通过模拟音频信号产生、数字信号技术处理、数字光纤传输、音频模拟信号还原及声音的播放重现等电子技术处理，把数字信号的光纤传输的完整的通信过程得以有效展示，并对传输信号进行实时测量，获取信号的相关参数与实验数据，具备教学示范的作用和实验的作用。
文档编号G09B23/18GK102915660SQ201210374660
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者孙立, 钱皓, 成龙, 尹华山, 陈保林 申请人:南京航空航天大学