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数字光收发机的研究与硬件实现 摘要 本文主要讨论了数字光收发机的系统组成及实现。重点介绍了音频 收发模块及复接分接模块的实现。论文的主要工作包含如下： 简单介绍了光端机的发展，数字光端机的系统构成以及应用前景。 介绍了模数、数模转换器的基本性能指标，详细说明了高精度一 模数、数模转换器的工作原理及应用实例。 介绍了复分接技术的原理，重点介绍了实现同步通信的关键：锁相环技术。 选择c p l d 芯片及串并并串转换芯片来实现复接分接模块，介绍了 v h d l 语言、c p l d 芯片的发展及特点；详细介绍了x c 9 5 1 4 4 的结构特点： 串并并串转换芯片的结构特点及工作过程，最后介绍了复分接模块的实 现，以及在实现过程中所遇到的问题。 关键词：一转换器复分接锁相环c p l d h a r d a r ed e s i g n0 fd i g l l 、a lf i b e r0 p t i c t r a n s c e i v e r a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c h s e so nt h es y s t e ms t r u c t u r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f d i g i t a lf i b e ro p t i ct r a n s c e i v e r e m p h a s e sa r et h er e a l i z a t i o no f a u d i ot r a n s m i t a n dr e c e i v eb l o c k a n d m u l t i p l e xa n dd e m u l t i p l e xb l o c k t h em a i nt a s k so f t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t o f d i g i t a l f i b e r o p t i c t r a n s c e i v e r 。a n di t ss y s t e ms t r u c t u r ea n df u t u r ea p p l i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o na l s od i s c u s s e ss o m eb a s i cf e a t u r ep a r a m e t e r so fa u d i o d i g i t a l t o a n a l o g ( d a ) c o n v e r t e ra n da n a l o gt od i g i t a l ( a d ) c o n v e r t e r i t d i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo f h i 曲p r e c i s i o n 一a d a n d 一d aa n d s o m e a p p l i c a t i o ne x a m p l e s f o c u so nt h e k e y o f i m p l e m e n t i n gm u l t i p l e x a n d d e m u l t i p l e x s y n c h r o n i z a t i o n ，i ti n t r o d u c e s t h ep r i n c i p l eo f m u l t i p l e x a n dd e m u l t i p l e x t o i m p l e m e n tm u l t i p l e x a n d d e m u l t i p l e xb l o c k ，c p l dc h i p s a n d t r a n s m i t t e r r e c e i v e rc h i ps e ta r ec h o s e t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e sv h d l l a n g u a g e ，t h ed e v e l o p m e n to fc p l dc h i p s ，d i s c u s s e s s t r u c t u r ef e a t u r e so f x c 9 514 4i nd e t a i l s ，a n ds t u d i e ss t r u c t u r ef e a t u r e sa n dw o r k i n gp r o c e s so f t r a n s m i t t e r r e c e i v e rc h i ps e t i nt h ee n dt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fm u l t i p l e x | d e m u l t i p l e x b l o c ka n d p r o b l e m s m e t d u r i n g t h ed e s i g n p r o c e s s k e yw o r d ：一ac o n v e r t o r ，m u l t i p l e x ，d e m u l t i p l e x ， p h a s el o c kl o o p ，c p l d v 5 8 s 4 s 8 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： ! 丛缓鲻 日期： 塑虹i ：兰! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期_ 立! ! 丝2 ：! ! 日期：2 稿珥辫 北京邮电大学硕士学位论文 1 ，1 光端机的发展 第一章光端机系统概述 光是一种电磁波，其波长范围分为三个部分，3 9 0 7 6 0 n m 为可见光，大于7 6 0 r i m 的部分是红外光，小于3 9 0 r i m 部分的是紫外光。光纤通信中应用的是： 8 5 0 r i m ，1 3 0 0 n m ，1 3 1 0 n m ，1 5 5 0 r i m 四种。 因为光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从种物质射向另一种物质 时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角 度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部 被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的( 即 不同的物质有不同的光折射率) ，相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同的。 光纤通信就是基于以上原理而形成的。 光端机的工作原理是光发射机将各种电信号经过处理，转换成光信号，发射出去， 经光纤传送给接收机，接收端的光端机将光信号转换成电信号，再传送给相应的设备。 随着科技的不断发展，光纤通信已经开始应用于通信的各个领域。目前，在高速公路， 楼字监控，电视节目监测，银行，海关，工业自动化等各个领域，光端机被广泛用于 传输音频、视频图像信息及数据信息。 光端机的型号各异，根据传输信号不同，可分为模拟光端机( 既a m 和f m 模拟) 和数字光端机( 非压缩数字和压缩数字) ；根据传输方式可分为单路、多路复用、总 线式光端机。目前国内的光端机主要以模拟传输方式为主，模拟传输方式主要有单路 视频、单路视频加数据、单路视频加数据单音频，还有多路复用( 两路至十几路或三 十几路的传输方式) ，但大部分都是采用一根或两根光纤来传输的。目前数字光端机 如雨后春笋般开始在市场上普及，数字代替模拟，这也是光通信技术的发展趋势。 1 ，2 数字光端机的系统构成 光端机一般应用于智能交通，智能小区的楼宇监控，演播室的图像音频传输等， 所以一般的数字光端机主要用来传送视频及音频图像。由于常用于集中监控，所以一 般光端机还留有异步数据接口。系统总体的框图如图1 1 所示： 北京邮电大学硕士学位论文 视频a d 转换 童翌1 2 堡苎l 复接 。-r。-。一 w 音频d a 转换 异步数据号 光发 射模 块 光接 收模 块 视频d a 转换 分接拦孥燮 _ t q 蔓巫亟 f 陌历磊雨 图1 1 数字光端机系统框图 整个光端机大致包含以下几个模块 ( 1 ) 模拟信号与数字信号的相互转换 包括两部分，视频和音频信号。由于广播电视行业对于声音、图像质量要求较高， 而整个数字端机在信号处理过程中模数、数模转换会引入量化误差，所以模拟信号模 数转换以及接收到信号数模转换部分性能的好坏，对整个系统的性能指标有很大的影 响。因此，对于视频收发模块、音频收发模块的核心器件，数模模数转换器的性能 要详细了解。并根据系统的设计要求选择合适的器件。 但) 异步数据信号的处理 为了适应光传输系统集中控制的需要，需要设计数据通信接口，用于传送监控系 统的数据信息，接口采用标准的r s 2 3 2 及r s 4 8 5 电平。数据码速率小于2 5 6 k b p s 。 光端机中其他部分都可以采用统一的时钟信号，所以如何将低速率的异步数据与其他 同步信号一起组帧复用也将是以后设计当中必须要解决的个重要的问题。 ( 3 ) 复接与分接模块。 这一部分是光端机的核心部分。在光端机中，数字复接占有很重要的地位，数字 复接是指将若干个低速率的数字信号按一定的规律和方法合并成一个高速率的数字 信号，以便在高速信道中传输，在接收点又按需要分解成低速数字信号。如何将各个 支路的信号进行组帧复接，并且从收到的信号中提取出帧同步信号，时钟同步信号， 将各支路的信号恢复出来，是实现整个系统的重点和难点。 ( 4 ) 光发射及接收模块 光发射模块的作用是将电信号的数字脉冲转化为光信号，通过光纤发送出去，光 接收模块的作用是将微弱的光信号转化为电信号并予以放大，恢复出数字脉冲信号。 ( 5 ) 电源模块 北京邮电大学硕士学位论文 光端机各个部分工作电压都为5 v 或者是3 3 v ，所以可以采用统一的电源转换模 块，为各个部分提供电源。 1 3 论文的主要内容 ， 吵 光端机的几个组成部分中，作者本主要负责音频收发模块和复分接系统，其他部 分由项目组其他成员负责，因此，对于视频与异步数据部分，只需要在复分接部分留 出相应的数据接口就可以。 所以本论文的研究重点一是新型一音频模数，数模转换器的原理及应用，二 是复分接的原理及其具体实现。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章音频收发模块 2 1 数模，模数转换器简介 模数转换器( 即a 母转换器或a d c ) 是一种将输入的模拟信号转换成数字信号 输出的电子器件。数模转换器( 也称d a 转换器或d a c ) 是一种将输入的数字信号转 换成模拟信号输出的器件，它通常被看作是与模数转换器相对的反变换。模数和数模 转换器，在整个通信系统中，属于信源编码的一部分，被广泛的应用在信号采集和处 理、数字通信、自动检测、自动控制和多媒体技术等领域。模数转换器把模拟信号变 为数字信号，送到数字系统，使信号能够被数字系统识别并处理，数模转换器可以把 数字系统处理的结果变为对应的模拟信号，回送给模拟系统，来实现对模拟系统工作 状态的检测和控制。模数数模转换器是数字电子系统和模拟电子系统之间的常用接 口电路。 模数转换器按结构大致可分为积分型、逐次比较型和并行比较型三种方式。根据 其工作原理可进一步分为一调制型、电容阵列逐次比较型及串并型。 基本的数模转换器由电压基准或电流基准、二迸制精密权电阻、一组电子开关及 权电流求和电路构成。数模转换器根据结构和功能特点，可以把数模转换器归类为通 用型转换器、乘法型数模转换器、一数模转换器、对数数模转换器、数字电位型 数模转化器、音频转换器、视频转换器、直接数字合成数模转换器等。 模数数模转换器的性能好坏对整个系统的性能影响很大，因此在选用模数，数模 转换器时，一定要首先了解其性能指标参数。转换器的参数大致可以归入下面两类。 一类是静态特性参数，第二类是动态特性参数。另外温度的变化对转换器的性能也有 一定的影响。 2 1 1 静态特性参数 1 分辨率和量化误差 a d 转换器是把模拟量转化为n 位的数字量，d a 转换器是把n 位的数字量转 换为模拟量，理想情况下的模拟量的值应等于数字量的值，但是数字值最小的变化量 ( 台阶) 为1 l s b ，小于1 l s b 的量无法转换，此i l s b 的大小就是模数数模转换器 的分辨率。由于1 l s b 是由数字值的位数决定的，因此分辨率般用位( b i t ) 表示， 如果分辨率为1 0 位，则1 l s b 为满标度的1 1 0 2 4 。分辨率是一个标称值，可以在器 北京邮电大学硕士学位论文 件手册上查到，但实际使用中的器件，由于噪声、温度和时间漂移等因素的影响，其 分辨率可能要小于手册的标称值。 在转换理想的场合。各台阶中央处的数字值应与模拟值相等，台阶两端产生最大 1 2 l s b 的误差，此误差是用数字值( 离散量) 表示模拟值( 连续量) 必然产生的， 称为量化误差，分辨率越高，则量化误差越小。 2 转换精度 除量化误差外，所有误差是由实际元件特性不理想造成的。般把这些误差分为 偏移( o f f s e t ) 、增益误差和非线性误差三类。分辨率即使很高，如果元件特性离理想 很远，这些误差也会很大。反之，分辨率即使很低，这些误差也可以很小。 在n 位的模数数模转换器中，如果偏移、增益误差、非线性加起来的总误差小 于1 2 l s b ，把量化误差的i 2 l s b 与这些误差加在一起，在转换的全范围内误差不 超过1 l s b ，也就是说，n 位的数字值的所有位均有效。因此，误差总和在1 2 l s b 以内时也有称做n 位精度的。 在偏移、增益误差和非线性误差中，只有非线性是不能校正的，它会成为模数 数模转换器中固有的误差。所以当非线性小于1 2 l s b 时也有称作n 位线性的。数 模转换器的精度是指对于给定的数字输入，其模拟量输出的实际值和理想值之间的最 大偏差，它反映了数模转换器实际的转换特性曲线和理想特性曲线间的最大偏差。它 是失调误差、增益误差、线性误差和噪声等累加的结果。图2 1 分别给出了线性误差、 增益误差失调误差的示意图。 北京邮电大学硕士学位论文 f s 7 1 8 6 ，8 5 g 4 ，8 3 ，8 2 伟 i 8 0 0 0 00 0 10 i oo l l1 0 0 l o i1 1 0i i i f x 7 她 6 陪 芒5 8 爨 嚣4 1 8 3 8 1 8 0 a 1 线性误差示意图 逛成 立线 7 l l 刀 1 1 么! t l i 7 r 。 j i 7 l i i i 1 i 、 i _ i i 1 0 0 00 0 10 1 00 l l1 0 0 l o ll i o1 1 1 b ) 失调误差示意图 6 i 笠 北京邮电大学硕士学位论文 2 1 2 动态特性参数 f s 信 6 ，8 f 矾 萋舳 璐 3 1 8 2 ，8 】，8 0 广 弹憾的 、 。 i ， ， ， 么 _ 敢卞辅人 c ) 增益误差示意图 图2 1 误差示意图 增益 洪蔗 1 转换时间 转换时问是模数转换器从转换开始到输出值稳定为止的时间。如果转换像逐次比 较型模数转换器那样与转换时钟同步动作，则转换时间也有用时钟周期数表示的。但 对于完全由内部时钟动作的模数转换器及串并行、并行转换器，一般用时间单位( 微 秒或纳秒) 表示。 对于内置输入采样一保持电路以及多通道输入型的模数转换器，有的只把模数本 身转换时间表示转换时间，也有的把采样保持电路和多路转换器的延迟加到转换时间 上以转换周期时间表示。 2 信噪比( s n r ) 转换器输出信号中的随机干扰成分被称为噪声，用规定频率范围内的谐波总有效 值来度量。在转换器输出端测得的信号与噪声之比称为信噪比( s n r ) 。这里信号指基 波信号幅值的有效值。对极高分辨率和宽动态范围的转换器，s n r 受转换器内部产 生的随机噪声影响比较大。在其他情况下，要考虑数字输入信号通过各种方式的耦合 ( 例如寄生电容、馈通、毛刺干扰耦合等) 在输出端形成的噪声而影响到s n r 。s n r 的 理论佶算值可用下式确定： 北京邮电大学硕士学位论文 s n l 4 = ( 6 0 2 n 十1 7 6 ) d b 其中n 为输入数字量的二进制位数。对于理想的8 位转换器，s n r = 5 0 d b 。 3 总谐波失真加噪声( t h d + n ) 转换器的输出波形中不仅有期望的信号，还伴有噪声和失真，其相对大小可用总 谐波失真加噪声( t h d 十n ) 这个参数来描述。t n d 十n 定义为转换器输出波形中的 噪声与各次谐波平方和的平方根与基波的有效值之比。通常用百分比或分贝表示。用 数学式可表示为： t h d + n = 心+ 圪2 + + k 2 + 。 式中v s 为基波有效值，到吒是各次谐波的有效值，一是所测量频带上的噪声有 效值。 4 无杂散动态范围s f d r 数模转换器的动态范围( d r ) 指最大辅出和最小输出的比。一般用分贝表示。对线 性转换器，这个比值为2 ”，这里n 是转换器的位数。观察转换器输出波形的波谱， 就会发现，除了期望的波谱外，转换器的输出中还包含有噪声和失真。失真可用谐波 失真、无杂散动态范围、互调失真等参数描述。无杂散动态范围( s f d r ) 的含义是： 在感兴趣的输出频带范围内，幅值最大的谐波电压或峰值和基波电压幅值的比、其比 值通常用d b 表示。 选择一个好的数模转换器的三个重要标准是分辨率、准确度和转换速度。另外还 要考虑其它基本要求：温度稳定性、输入编码、输出格式、基准和功耗。 2 _ 2 一转换器的原理 一转换器以极低的分辨率( 】位) 和极高的采样速率( m h z 量级) 将模拟信号转 换成数字信号。利用过采样和数字滤波技术可降低采样频率但使分辨率提高到2 0 位以上。由于过采样转换器采用了数字信号处理，所以它们可以与d s p 系统配套工 作以达到最佳处理效果。 基本的过采样转换器由一个一调制器和一个数字滤波器构成，其中e 一调 制器用来产生位流，而数字滤波器用来将位流译码成1 3 位字。这种转换器基本形式采 用一个跟踪环路，其中最简单的结构包括一个1 位a d c ( 锁存比较器) ，一个1 位 d a c ( 双电平开关基准) 和一个积分器。工作过程是，首先从输入信号中减去d a c 的 输出并且对这一结果进行积分，然后与基准比较，并且以lm n z 速率锁存；d a c 送回 代表a d c 输出的一个1 位模拟信号，其中a d c 的输出是由“1 ”和“0 ”组成的一串 北京邮电大学硕士学位论文 位流。为了提高分辨率，对这种位流进行数字滤波，以牺牲速度为代价。 因为一转换器以高速时钟脉冲锁存，所以不需要采样保持。由于位流是一串 0 和“1 ”，所以不存在失码问题。数字滤波实质上是另一种采样工作方式。只有 在采样频率低于最高时钟频率的一半，而同时又高于2 倍最大信号带宽时，它才产生 数据。数据输出速率与输入的奈奎斯特频率的比值是过采样比率。一调制过程允 许对噪声信号整形，这样可以把基频带中的大部分量化噪声能量移至便于滤掉噪声的 较高频带上。一转换器主要用于低频信号的高分辨率转换和含有音频信号的低 失真转换。 一调制器是一转换器的核心部分。一调制器又称为总和增量调制 器，它是数字通信系统中的一种波形编码调制技术。严格地讲，在一转换器中使 用的调制器仅一阶调制器才是传统意义上的一调制器。这里所谓阶是指一调 制器中所包含的积分器的个数，一个为阶，二个为二阶等等。先从一阶调制 器出发，说明一调制器的物理概念。 一调制器实际是一种改进的增量调制器，其原理框图如图2 2 所示。 抽样蛛冲。 图2 - 2 一调制器原理 一数模转换与模数转换，互为逆过程。其中数字滤波和一调制器的功能 是完全类似的。下面以一8 数模转换器为例，来说明一转换器的工作原理。 一数模转换嚣的原理框图如图2 3 所示，主要由内插式滤波器、一调 制器、1 位数模转换器和输出滤波器组成。图2 3 所示例子是卜1 6 位的转换器。 输入为1 6 位的串行数据，以8 k h z 的速率被更新，经转换器后，输出约4 k h z 带宽的 模拟信号。输入数据首先送入数字内插式滤波器，其采样频率从8 k h z 增加到 1 0 2 4 m h z ，称为过采样，其过采样系数为1 2 8 ，这个过程相当于把一个低采样速率的 数字信号重构为一个新的高采样速率的数字信号。数字过采样滤波器可降低对模拟滤 北京邮电大学硕士学位论文 波器的要求。根据采样理论，采样信号复原时，在采样频率倍频附近将出现被采样信 号的“镜像”。为了获得好的重构波形，必须滤掉这些不想要的“镜像”成分，而只 让原有的音频输出。当采样频率较低时，就对后面的模拟滤波器提出了很高的要求， 在电路上实现起来很困难。如果在采样脉冲间插入零值采样脉冲，从而提高数字信号 的采样频率，则在不改变信号频谱的情况下其要滤去的“镜像”频率大大提高。这 样只需比较简单的模拟滤波器就可以去掉这个高频“镜像”。 1 6 位，约8 u h 图2 - 3 一数模转换器的原理框图 图2 - 4 表示了过采样系数为4 的内插情况，输入信号x ( m ) 的数据样值之间被插入3 个零值采样值，从而得到一个新的信号w ( m ) ，如果对它进行低通滤波，就可产生信 号y ( m ) ，总的采样频率增加为原来的4 倍。 北京邮电大学硕士学位论文 输人情号 x ( m 加人零值 采样 w i m 】 滤波后输出 y 【r n ) 图2 4 离散时间信号的内插 内插式滤波器输出的1 6 位、1 0 2 4 m h z 采样速率的数据流由一调制器进行噪 声整形，并减少采样宽度列l 位。噪声整形的作用是使大部分量化噪声位于数字滤波 器可滤去的高频( 1 2 原采样频率和1 2 过采样频率之间的区域) ，仅一小部分留在直 流与原1 2 采样频率范围内，这样用数字滤波器可去除大部分量化噪声能量，提高系 统的信噪比。和一模数转换器中的一调制器不同的是，一数模转换器中 的调制器是全数字的，并包含数字滤波器。数宁滤波器的作用一是滤去一调制器 在噪声整形过程中产生的高频噪声，其次对原采样频率来说，它起到一个抗混叠滤波 器的作用。 调制器输出的位流由1 位数模转换器转换成模拟量。l 位数模转换器的输出在以 某种方式平均之前是没有意义的，后面的输出滤波器正好完成这个“平均”功能，同 时还可滤去高频噪声，它通常采用多级滤波器形式其特性应和整个系统的需要相匹 配。 一转换器的特点 一调制型转化器由积分器、比较器、一位d a 转换器和数字滤波器等组成。 其工作原理是将输入电压转换成时间( 脉冲宽度) 信号，用数字滤波器处理后得到数字 北京邮电大学硕士学位论文 值。由于这种转换器数字电路占了很大比重，电路的数字部分基本上容易单片化，所 以非常适合以集成电路形式大批量生产，而且容易做到高精度和高分辨率。主要用于 音频和测量。 虽然这种方法看起来使用有点儿不太方便，但与常规的“精密”转换方法相比有 许多优点。这种转换器是一种数字电路( 主要是数字滤波器) ，并且对1 位模拟转换单 元的要求不是特别严格。所以可以采用数字电路所用的常规方法构成这种转换器，甚 至还完全地兼备数字功能，例如微处理器、微控制器和特殊功能数字外围电路( 比如 通信控制器) 。 这种转换器内部含有自采样和跟踪电路，不需要外部的采样保持或跟踪保持电 路，最适合每个通道用一个转换器，从而改善了系统的耐用性。另外成本也很低。而 且串行输出减少了数字接口电路所需要的大量封装引脚。 由于数字滤波器要求位流经过有一个过程，所以起始l 位采样与产生相应的多位 数字量之间的等待时间相当长。因此它很难用于具有多通道的多路转换器的模数转 换，除了很少使用第2 个通道的场合外因为来自第一个通道的位流必须被刷新， 而且来自新通道的位流必须流入滤波器流水线。 与其它结构的转换器( 尤其是闪烁式转换器) 相比，现在的一转换器的采样速 率受带宽和有效采样速率( 输出字速率) 的限制。现在可达到的有效字速率大约相当于 1 0 k p s 。更高的采样速率则要求特别快的过采样时钟和满足分辨率要求的集成电路。 由此可知，系统设计者必须精心斟酌分辨率、准确度和采样速率的权衡问题。 另外，这些半导体公司生产的高精度2 4 位一转换器都是音频转换芯片。这 些芯片必须满足音频的采样频率、数据输入格式，声道选择等条件。这些条件的限制 使得高分辨率的一转换器只能应用于音频系统中，如果需要高精度的通用转换 器，可以在现有一转换器的基础上进行改造。通过外围电路扩展和程序设计，可 以实现通用转换器的时钟信号的改造、数据转换模式的改造、采样频率的改造等，满 足通用转换器系统的要求。 2 3 高精度一转换器的应用 目前，一型的和a d c 和d a c 可以实现高精度( 最高可达2 4 位) 的数模和 模数转换。例如a n a l o gd e v i c e 公司的a d l 8 系列、t i 公司的p c m l 7 系列等都可以 满足d v d 等专业音响设备的指标要求。综合比较各系列的芯片，并根据设计指标的 要求，本系统最终选用了音频模数转换器p c m l 8 0 2 和数模转换器p c m l 7 4 2 。他们就 北京邮电大学硕士学位论文 是以上过采样，高精度一音频转换器的典型代表，分辨率最高可达2 4 位。 2 3 1 模数转换芯片p c m l 8 0 2 p c m l 8 0 2 是高性能，低功耗的立体声模数转换芯片，提供单端模拟输入接口。 采用5 v 的模拟电源和3 3 v 的数字电源的双电源供电模式。主要性能指标如下： 转换精度：2 4 位； 单端输入电压：3 v p p ； 总谐波失真加噪声( n d + n ) ：9 6 d b ( 典型值) ； 信噪比：1 0 5 d b ( 典型值) ； 动态范围：1 0 5 d b ( 典型值) ； 抽样频率：1 6 k h z 到9 6 k h z 。 p c m l 8 0 2 功能模块如图2 5 所示 呐n l v r e f l v r e f 2 v i n r 各管脚定义如下 v c c k l e i n d d q n d v d d 图2 - 5p c m l 8 0 2 功能模块图 a g n d ： d g n d ： v c c ： v d d ： s c ： b c k ： l r c k ： 模拟地 数字地 模拟电源 数字电源 系统时钟输入 比特时钟输入出 抽样时钟输入出 巍篇蕊一熹一 北京邮电大学硕士学位论文 o s r ： 过采样速率选择信号( 输入) f s y n c ：帧同步时钟输入出 b y p a s ：h p f 旁路控制信号( 输入) m o d e 0 ：模式选择信号0 m o d e l ：模式选择信号1 v i n l ：左通道模拟输入 v i n r ：右通道模拟输入 v r e f l ：参考电压1 ( 与电容耦合) v r e f 2 ：参考电压2 ( 通常与v c c 相连) f m t 0 ：音频数据选择信号0 f m t l ：音频数据选择信号1 d o u t ：音频数据输出 p d w n ：断电控制信号( 低电平有效) p c m 内部的五级一调制器框图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 五级一调制器框图 p c m l 8 0 2 其他功能，如音频数据接口，数据格式等等都与p c m l 7 4 2 基本相同 将在下面的内容中详细说明。 2 3 2 数模转换芯片p c m l 7 4 2 p c m l 7 4 2 采用5 v 的模拟电源和3 3 v 的数字电源的双电源供电模式。主要性能 指标如下： 转换精度：2 4 位： 满幅输出电压：3 1 v p p ； 总谐波失真加噪声( n d + n ) ：o 0 0 2 - 0 0 0 3 ( 典型值) ； 北京邮电大学硕士学位论文 信噪比：1 0 0 0 一1 0 6 d b ( 典型值) ； 动态范围：1 0 0 一1 0 6 d b ( 典型值) 抽样频率：5 k h z 到2 0 0 k h z 其功能模块如图2 7 所示 各管脚定义如下 图2 7p c m l 7 4 2 的功能原理图 m l ：模式控制锁存输入 m c ：模式控制时钟输入 m d ：模式控制数据输入 s c k ：系统时钟 l r c k ：左右声道音频数据的锁存 b c k ：音频数据位时钟 d a t a ：音频数据输入 v d d ；数字电源 d g n d ：数字地 v c c ：模拟电源 a g n d ：模拟地 v c o m ：公共端 北京邮电大学硕士学位论文 v o u t l 、v o u t r ：左、右声道模拟输出 z e r o l 、z e r o r ：左右声道零标志位 p c m l 7 4 2 系统时钟s c k 用来提供给核心模块数字内插滤波器和多级一调制 器，因此对系统的性能好坏至关重要。要想取得良好的性能指标，应尽可能的减少系 统时钟的相位抖动和噪声。 p c m l 7 4 2 芯片的一a 部分建立在一个八级振幅量化器和一个四级噪声整形器 基础上。这一部分把过采样输入的信号转换成8 级一形式。8 级一a 的模块图 如图2 8 所示，这种8 级的一调制器与传统的1 比特( 2 级) 一a 调制器相比， 在稳定性和对时钟抖动的敏感性上都有优势。 图2 - 8 八级e 一调制器 p c m l 7 4 2 串行接口由三个同步串行信号线构成：l r c k 、b c k 和d a t a 。b c k 是串行音频信号的比特时钟，在它的上升沿，锁定d a t a 输入的串行数据。l r c k 是 串行数据的左右字时钟，用来将串行数据锁存到音频接口的内部寄存器。这三个时 钟应该同步，如果都由输入的系统时钟s c k 产生最理想。音频接口的时序图如图2 - 9 所示。其中l r c k 与抽样频率相同，b c k 根据串行数据的形式而变化，可以是抽样 频率的3 2 、6 4 或者1 2 8 倍。芯片的内部工作都与l r c k 同步。一般当抽样频率时钟 l r c k 改变，或者s c k b c k 中断后，芯片内部操作与l r c k 的同步会保持至少一个 时钟周期。如果在这种保持状态下，提供连续的s c k 、b c k 和l r c k ，芯片的内部 操作至多在3 f s 的时间内会自动再同步。在这个同步过程中以及接下来的3 f s 时间内， 模拟输出零电平，或者v c c 2 ，不需要外部重启。 北京邮电大学硕士学位论文 l r c k b c k b m 习三三丰：二 一h 一h 一 5 0 o f v 加 5 0 凸t t 图2 - 9 p c m l 7 4 2 音频接口时序 p c m l 7 4 2 可以支持几种音频数据形式，包括标准形式、1 2 s 和左适应方式。数据 形式可以通过写控制积存器2 0 来选择。芯片默认的数据形式是2 4 比特左适应形式。标 准形式中又包括2 4 比特、2 0 比特、1 8 比特、1 6 比特四种，其中1 6 比特中又分为b c k 为3 2 f s 、4 8 f s 、6 4 f s 三种。所有的数据形式都是音频数据高位( m s b ) 在前。音频数 据的时隙图如图2 1 0 所示： ( 1 ) 标准数据形式：l r c k 高电平时传送左通道，低电平为右通道 1 一 l h d 1 n n el 几门门扪f 1 几门丌n 几几- 1 几门r门门九九门几几丌几丌f 一1 门n r且月 目潍a 棚t - i埘 i “j ”i *1 t l ：i3 i 一- i m m1 1l 2l3i - - i 1 1 1 m 、，t 日潍；j 不 l v i i 1 i2 l j li # i l hf2 l j ff i ” 基。急 。矗 i 叫”1 1 91 1 i2 l j ll 圳 旧 l ，i2 il 。i i l j ，i ， i t e i u l 1 1 fz i s if i e m l t f2 l3 f f e f 撸f 占是怎点 i i 口l 扭 l ，i3 il 口i 刮n叫2 l3 ii 1 2 l 圳m 玉。矗盏。矗 ( 2 ) 1 2 s 数据形式：l r c k 4 t 平时传送左通道，高电平为右通道 c ：档r i 哪 北京邮电大学硕士学位论文 ：篮d b 口；叫 ( 3 ) 左适应数据形式：l r c k 高电平时传送左通道，低电平为右通道 il0 ur l d m d 州1 _ 几九门九钉：一：扪门f1 i _ 一l 门门：n 门k ，1 九，几 1 2 j f h o 舢 l | i2 f3 f社。拇j fn f，卜j 、，、 粕l s 日 图2 1 0 音频数据输入形式 p c m l 7 4 2 还提供一个由三个信号线m l 、m c 和m d 组成的串行控制接口。通过这 三个信号，可以向片内的控制寄存器写入数据，来选择芯片体供的一些可选功能。 这些功能包括：数字衰减级的设置( 默认无衰减) 、软哑音控制( 默认无效) 、过采 样率的控制( 默认6 4 ) ，音频数据形式( 默认2 4 比特左适应) 等。m l 、m c 和m d 对 寄存器进行写操作的示意图图如图2 1 l 所示。由图2 1 1 可知，当m l 为低电平时，控制 信号m c 和m d 才有效。所以在不需要可选功能的时候，可以将m l 设为高电平，这样， 就可以使用芯片默认设置的功能。 u 。厂 “c nn 厂 厂 r r nnn 厂 几n 厂 r r r 几厂 几r r 厂 m d i iii i ii i i i i i i ii ini 图2 ，1 1 寄存器控制信号写入示意图 以上就是p c m l 7 4 2 芯片的主要功能，使用时可以按照如下的推荐连接方式如图 2 1 2 所示： 图2 - 1 2p c m l 7 4 2 推荐连接方式 测试方法： 在对各项指标敏感的系统中，必须对每个器件的性能指标需要有精确值。而数据 手册提供的参数都只是一般条件下的典型值。因此在这种情况下，需要自己搭建测试 环境，来测出在特定条件下的主要参数值。对于p c m l 7 4 2 。可以根据以图2 1 3 来测 量总谐波失真加噪声参数( t h d + n ) ，根据图2 1 4 来测量动态范围和无杂散动态范 围( s n r ) 。图中d e m - d a l 7 4 2 为评估板。 图2 1 3t h d + n 测试框图 1 9 北京邮屯大学硕士学位论文 图2 - 1 4 动态范围和s n r 的测量框图 2 3 音频收发模块的实现 音频部分的设计要求如下： 传输带宽要能满足音乐信号( 1 0 2 0 k h z ) 的带宽； 输入方式为平衡或者非平衡方式； 音频输入模拟信号电平范围为o 5 2 v 口p ； 输入阻抗为6 0 0 q 。 音频发射部分的原理框图如图2 1 5 所示 图2 - 1 5 音频发射部分原理框图 竺 二囤一 一，l 一 面 北京鄄电大学硬士学位论文 音频接收部分的原理框图如图2 一1 6 所示 音频数字 信号输入 数模转换 电路 音频信号 差分放大 左右通道 接收指示 灯电路 单端双端 模式转换 图2 1 6 音频接收部分原理框图 音频模拟 _ 信号输出 设计电路板注意事项： 1 由于电路板既有模拟信号，又有数字信号，而转换器本身分别有模拟地与数字地， 因此，在设计电路板时，要将模拟地与数字地分开，中间由磁珠连接。 2 。模数、数模转换器电源都有两种，数字电源与模拟电源，由统一的电源模块来供 应，电源在接入转换器对，都要经过电容滤波器，滤除杂波干扰。 3 由于模数、数模转换器，对于系统的性能影响很大，所以对于转换器的外围电路 应该严格按照推荐电路连接，才能使转换器的工作状态最佳，从而使整个系统达 到很好的性能指标。 在系统调试的过程中遇到的问题及解决办法如下： 1 音频信号经过差分放大器后，信号幅度过大。原因是差分放大器放大倍数过大。 可以通过调整电阻值，改变放大器的放大倍数。注意：放大倍数的设定要根据音 频信号的大小来确定，以免幅度过大。损坏模数转换芯片。 2 电路完成后，经测试，系统时钟输入后经p c m l 8 0 2 分频正常，输出字时钟，比特 时钟等工作时钟。输入端模拟音频信号输入也正常，但是芯片的数字输出端一直 没有数字码流输出，在示波器上观察，只有噪声输出。经检查发现，模数转换：出 片p c m l 8 0 2 已经损坏，但是由于内部功能模块的相对独立性，所以分频电路等正 常工作，而关键的模数转换部分，由于输入信号过大，或者测试过程中短接造成 的瞬时高温，已经损坏。因此，对于音频模数、转换器p c m i7 4 2 ，p c m l8 0 2 等体 积很小，管脚之间距离非常小的芯片，在测设的过程中要注意，养成良好的习 惯。 3 滤波电容对系统性能的影响很大，对于电容大小的选择要综合考虑各种因素。 北京邮电大学硕士学位论文 4 数模、模数转换器的系统时钟，对转换器的性能影响很大，如果时钟边沿抖动过 多，边沿模糊，会严重影响转换器输出信号的质量。因此除了按照推荐电路连接， 并且使同一个转换器的工作时钟来自同一个时钟源以外，对于p c m l 7 4 2 ，还可以 在三个工作时钟：系统时钟、比特时钟、字时钟输入时传接一个2 2q 的电阻，就 可以明显改善时钟的抖动情况 北京邮电大学硕士学位论文 第三章复分接原理 在数字通信网中，为了扩大传输容量和提高传输效率，总是把若干个支路的小容 量低速数字流合并成一个大容量高速数字流，再通过高速信道传输，接受端经过反变 换回复出原始的各路信号。多路信号互不干扰地在同一条信道上传输，这种方式叫做 多路复用，目前应用最广泛的方法是频分多路复用( f d m ) 和时分多路复用( t d m ) 。 在时分复用系统户，多路信号在时间上被离散化，相当于对时域进行分割，多路 信号在不同的时间内被传送，各路信号在时域中互不重叠，如图3 1 所示。 o 图3 - 1 时分复用 在时分复用系统中，周期性地将时间分成许多小段，称为时隙。每路信号周期性 地占用一个指定的时隙。为了使收发两端用户能准确地对应开通，在发送端一定要加 入起始标志码。在接收端的同步系统能够识别标志码。当收、发两端对应位置发生错 位时，同步系统能自动地将其调整到正确位置。通常多路信号每路样值的重复周期称 为一个帧周期。起始标志码也就是帧同步码。 可见同步是通信系统中一个重要的实际问题。在通信系统中，具有相当重要的地 位。通信系统能否有效地、可靠地工作，很大程度上依赖于有无良好的同步系统。一 个时分复用系统必须收、发同步才能正常工作。因为消息是一串连续的信号码元序列， 解调时需要知道每个码元的起止时刻。因此，接收端必须产生一个用作定时脉冲序列， 它和接收的每一个码元的起止时刻一一对齐。我们把在接收端产生与接收码元的重 复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步，而称这个定时脉冲 序列为码元同步脉冲或位同步脉冲。数字通信中的消息数字流总是用若干码元组成 一个”字”，又用若干”字”组成一”旬”。因此，在接收这些数字流时，同样也必须知道 这些”宇”、”句”的起止时刻，在接收端产生与”字”、”句”起止时刻相一致的定时脉冲 序列，统称为群同步或帧同步。当收发光端机之间，完成了位同步和帧同步之后，通 北京邮电大学硕士学位论文 信双方的时标关系也解决了，这时，接收端就能以较低的错误概率恢复出数字信息。 而通信系统如果出现同步误差或失去同步，就会使通信系统性能降低或通信失效，所 以同步是数字通信的前提。同步的准确可靠及同步的方法是数字通信必须研究的课 题。 数字通信的同步是指收发两端的载波、码元速率及各种定时标志都应步调一致地 进行工作。不仅要求同频，而且对相位也有严格的要求。一个完整的帧同步系统的工 作状态包括两种，即捕获状态和锁定状态，并且在一定条件下使它们互相间能自动切 换。当帧同步信号捕捉到时，帧同步系统应立即由捕捉状态转换到锁定状态。同步提 取完成后，只是完成了初始同步，即同步捕获，还要进行同步锁定，以防止假同步和 漏同步的发生。 3 1 复分