李兆玺， 黄红艳, 黄国勇， 高 威， 孙立悦， 陈 黎

(1.吉林大学 a.通信工程学院;b.实验与设备管理处室，长春 130021;2.石家庄邮电职业技术学院 电信工程系,石家庄 050031)

0 引 言

多电平编码调制技术与传统的非归零码(Non-Return-to-Zero,NRZ)相比，具有更高的谱效率，将成为下一代光通信系统的主要编码调制方式，其相关技术已成为当前的研究热点[1-3]。为将这一热点技术引入到本科生实验教学中，兼顾本科生专业技术知识的掌握情况，应用《数字电子技术》中的基础电路设计实现了多电平编码数字音频信号传输系统，该系统涵盖了《数字电子技术》课程中的模/数(A/D)、数/模(D/A)转换、组合逻辑电路设计、时序电路设计、抽样、量化、编码等内容[4-6]，具备一定的综合性。同时，系统的模块化设计思想能在系统的各阶段观察信号波形变化情况，易于理解各模块功能和相关理论知识。可以自行设计替换各模块，通过电路的改进，提高学生的科研能力[7-11]。通过该系统的设计，把科研成果及时转化到实验教学中，成功应用于本科生创新实验中。依托学校实验技术项目，设计、开发了多电平编码的综合数字实验箱。实践表明，该实验在提高学生专业知识综合运用能力，以及科研能力方面一定成效。

1 系统设计

1.1 系统整体方案

本系统的设计采取模块化方式，设计了发送端和接收端，各模块间设置测试点，可在整个通信模拟过程中观测各阶段波形变化。为更直观的观察信号的收发情况，在输入端设计了音频接口和模拟信号发生器输入接口，这样，既可以通过示波器观察波形，也可以通过扬声器直接收听接收音频信号。另外，各模块的设计具有扩展性和开放性，可自行设计替换。系统的整体设计方案如图1所示。系统工作过程如下：首先两路由两个手机播放的音频信号经过3.5 mm音频接口输入电路，经A/D转化为01串码表示的数字信号，同时，通过振荡器和分频器设计了时序电路，获得bit时钟和采样时钟，为A/D，D/A转换提供控制信号。数字信号经过多电平编码后形成由多幅度表达的多电平码字。这里，采用目前通信中应用广泛的PAM4(Pulse Amplitude Modulation-4)多电平编码方式[12-13]。同时，分别从两路音频信号的数字串码中选取1 bit完成映射，通过多电平编码方式巧妙实现了双路音频信号的合路传输。在接收端，通过多电平判决解码，门电路译码，D/A转换，经过功率放大电路最终恢复出两路音频信号。

图1 系统总体设计框图

1.2 主要功能模块设计

图2 传输符号电平形成电路

(1)

(2) 调制/解调模块。要实现多电平编码调制，需要将bit信息映射到多电平构成的符号集，实现解调需要将接收到的多电平码进行符号判决，再将判决后的符号译码恢复成bit流。这里多电平码调制/解调的电路实现是设计重点。其中，调制过程由CD40514选1功能实现，判决过程由比较器LM339实现，具体电路如图3所示。首先，通过5个串联的二极管的导通电压获得等步长的4个标准电平，这4个标准电平即是构成PAM4码字的4个电平，A/D变换后的两路串行bit流经CD4051的9、10脚，利用芯片的4选1功能编码成多电平码，由CD4051的3脚输出，3脚的输出表达式为

(2)

3脚信号即为PAM4调制编码信号。PAM4信号的判决由比较器实现，通过设计4个比较器中的比较电压，完成PAM4信号的判决。其中，比较电压根据比较器同相输入端的电阻分压得到，可根据标准电压的实测值设计R8、R9、R5、R12的电阻值。

图3 多电平编码调制/解调电路

(3) 译码模块。译码电路采用门电路译码，属于典型的组合逻辑设计过程。设计过程描述如下：比较器的4个输出端分别为S1、S2、S3、S4，译码的bit为B和A(CD4051的9和10脚)，通过列B、A关于S1、S2、S3、S4的真值表(如表1)，列出A、B的表达式为：

(3)

(4)

根据表达式结果选取了非门(74LS04)、或非门(74LS02)、与非门(74LS00)实现全译码。在全译码过程中，可能会出现竞争冒险现象[15]，学生可以通过组合逻辑电路的设计规则自行设计译码电路替换现有模块，同时分析并消除冒险现象。

2 实物制作

经过模块设计、整合、制图、制板、调试最终完成了系统的设计制作，依托学校实验技术项目，试制了20台实验箱供学生综合实验使用。实验箱面板如图4所示,实验箱提供了面包板，可供学校扩展设计电路使用。

表1 译码电路真值表

图4 实物图

3 测试分析

在实验阶段对实物进行了测试，测试了几个重要模块节点的波形。图5为bit时钟和采样时钟实测波形图，可以看出，在采样时序一周期内总时钟有16个高电平，经过叠加后可以得到系统所需的15 bit码值。其中3 bit用于量化过程，12 bit用于数据输出，达到了设计目标。图6为PAM4编码信号波形，可以清晰地观测出多电平码型的时域特点。图7测试了两路模拟信号的收/发波形，可从波形直观观察到准确的完成了模拟信号的收/发。图8测试了两路音频信号的收发波形，通过功放电路的设计，加入扬声器可同步收听到发端的两路音频信号。

图5 bit时钟和采样时钟的波形

图6 PAM4信号波形

图7 双路模拟信号发送和接/收波形

图8 双路音频信号发送和接/收波形

4 结 语

多电平编码的数字音频系统可以有效的实现双路音频信号的多电平编码、解码，以及数字化传输和稳定的收/发。学生可以通过设置的各个测试点清晰直观观察到信号经过对应功能模块的变化，实现了数字电路综合实验的全面化、系统化的设计目标。同时，该系统具有一定的通用性和扩展性，可以实现各个模块的独立设计和替换，在参与实验过程的同时，能够提高学生对知识点的理解和实践能力，为学生提供了易于创新的实践环境。