基于VHDL語言和可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)HDB3編譯碼器的設(shè)計(jì)

1 、引言

HDB3（High Density Bipolar三階高密度雙極性）碼是在AMI碼的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種雙極性歸零碼，它除具有AMI碼功率譜中無直流分量，可進(jìn)行差錯(cuò)自檢等優(yōu)點(diǎn)外，還克服了AMI碼當(dāng)信息中出現(xiàn)連“0”碼時(shí)定時(shí)提取困難的缺點(diǎn)，而且HDB3碼頻譜能量主要集中在基波頻率以下，占用頻帶較窄，是ITU-TG.703推薦的PCM基群、二次群和三次群的數(shù)字傳輸接口碼型，因此HDB3碼的編解碼就顯得極為重要了。目前，HDB3碼主要由專用集成電路及相應(yīng)匹配的外圍中小規(guī)模集成芯片來實(shí)現(xiàn)，但集成程度不高，特別是位同步提取非常復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。隨著可編程器件的發(fā)展，這一難題得到了很好地解決。

本文利用現(xiàn)代EDA設(shè)計(jì)方法學(xué)和VHDL語言及模塊化的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了適合于FPGA實(shí)現(xiàn)的HDB3編譯碼器的硬件實(shí)現(xiàn)方案。不但克服了分立硬件電路帶來的抗干擾差和不易調(diào)整等缺陷，而且具有軟件開發(fā)周期短，成本低，執(zhí)行速度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，升級(jí)方便等特點(diǎn)。

2、 HDB3編解碼原理

要了解HDB3碼的編碼規(guī)則，首先要知道AMI碼的構(gòu)成規(guī)則，AMI碼就是把單極性脈沖序列中相鄰的“1”碼（即正脈沖）變?yōu)闃O性交替的正、負(fù)脈沖。將“0”碼保持不變，把“1”碼變?yōu)?1、-1交替的脈沖。如：

NRZ碼：1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1

AMI碼：-1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 -1 +1

HDB3碼是一種AMI碼的改進(jìn)型，它的編碼原理可簡述為，在消息的二進(jìn)制代碼序列中：

（1）當(dāng)連“0”碼的個(gè)數(shù)不大于3時(shí)，HDB3編碼規(guī)律與AMI碼相同，即“1”碼變?yōu)椤?1”、“-1”交替脈沖；

（2）當(dāng)代碼序列中出現(xiàn)4個(gè)連“0”碼或超過4個(gè)連“0”碼時(shí)，把連“0”段按4個(gè)“0”分節(jié)，即“0000”，并使第4個(gè)“0”碼變?yōu)椤?”碼，用V脈沖表示。這樣可以消除長連“0”現(xiàn)象。為了便于識(shí)別V脈沖，使V脈沖極性與前一個(gè)“1”脈沖極性相同。這樣就破壞了AMI碼極性交替的規(guī)律，所以V脈沖為破壞脈沖，把V脈沖和前3個(gè)連“0”稱為破壞節(jié)“000V”；

（3）為了使脈沖序列仍不含直流分量，則必須使相鄰的破壞點(diǎn)V脈沖極性交替；

（4）為了保證前面兩條件成立，必須使相鄰的破壞點(diǎn)之間有奇數(shù)個(gè)“1”碼。如果原序列中破壞點(diǎn)之間的“1”碼為偶數(shù)，則必須補(bǔ)為奇數(shù)，即將破壞節(jié)中的第一個(gè)“0”碼變?yōu)椤?”，用B脈沖表示。這時(shí)破壞節(jié)變?yōu)椤癇00V”形式。B脈沖極性與前一“1”脈沖極性相反，而B脈沖極性和V脈沖極性相同。

如：

NRZ碼：1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1

AMI碼：-1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 -1 +1

HDB3碼：-1 0 0 0 -V +1 0 0 0 +V -1 +1 –B　0 0　-V +1 -1

雖然HDB3碼的編碼規(guī)則比較復(fù)雜，但譯碼卻比較簡單。從上述原理看出：每一個(gè)破壞符號(hào)V總是與前一非0符號(hào)同極性（包括B在內(nèi)）。這就是說，從收到的符號(hào)序列中可以容易地找到破壞點(diǎn)V，于是也斷定V符號(hào)及其前面的3個(gè)符號(hào)必是連0符號(hào)，從而恢復(fù)4個(gè)連0碼，再將所有-1變成+1后便得到原消息代碼。

3、 編解碼器設(shè)計(jì)

3.1 編碼器設(shè)計(jì)

由于VHDL不能處理負(fù)電平，只能面向“1”、“0”兩種狀態(tài)，所以要對(duì)它的輸出進(jìn)行編碼，如表1所示。編碼的實(shí)現(xiàn)是根據(jù)HDB3編碼原理把二進(jìn)制碼編碼成兩路單極性的碼字輸出，之后經(jīng)過單雙變換模塊形成HDB3碼。在編碼過程中，要經(jīng)過連0檢測、破壞節(jié)判斷、破壞節(jié)間“1”的個(gè)數(shù)判斷、調(diào)整“1”的符號(hào)輸出等步驟，編碼部分可分為4個(gè)模塊，編碼流程如圖1所示。

在進(jìn)行HDB3編碼器的設(shè)計(jì)時(shí)，需注意以下兩個(gè)問題：

（1） 考慮將某些“0”改為“1”

用一個(gè)四位移位寄存器來對(duì)輸入的序列進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到4個(gè)連“0”時(shí)，將其第四個(gè)“0”改為“1”。再設(shè)置一個(gè)T觸發(fā)器來檢測兩個(gè)相鄰的破壞節(jié)之間“1”的個(gè)數(shù)，若T觸發(fā)器為“0”則說明兩個(gè)相鄰的破壞節(jié)之間“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，需要將第2個(gè)破壞節(jié)的第一個(gè)“0”置“1”，若T觸發(fā)器為“1”，則說明兩個(gè)相鄰的破壞節(jié)之間“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，第2個(gè)破壞節(jié)的第一個(gè)“0”不變。

（2） 正、負(fù)號(hào)的考慮

除了破壞節(jié)的V即“1”的符號(hào)與它前面最近的“1”的符號(hào)相同外，其他的“1”的符號(hào)都是正、負(fù)交替的。所以再設(shè)置一個(gè)T觸發(fā)器，當(dāng)它檢測到“1”時(shí)就使DATA1翻轉(zhuǎn)。當(dāng)然，這樣就不可避免地使破壞節(jié)的V的符號(hào)也出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，為了防止它的翻轉(zhuǎn)，用一個(gè)三位移位寄存器來跟蹤V碼，以保證V碼的符號(hào)不變（與它前面最近的“1”的符號(hào)相同）。

本文在程序的實(shí)體中定義了2個(gè)輸入端口：時(shí)鐘、偽隨機(jī)序列，一個(gè)兩位的輸出數(shù)據(jù)（編碼后的輸出）。程序的結(jié)構(gòu)體中使用的是進(jìn)程語句，共采用4個(gè)進(jìn)程，分別完成判斷4連“0”位置并插入V、記相鄰V碼間1個(gè)數(shù)、跟蹤V碼位置及編碼輸出的功能。敏感信號(hào)均選用的是時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)于其任一變化都將同時(shí)啟動(dòng)4個(gè)進(jìn)程，并行執(zhí)行。在程序中共使用了5個(gè)信號(hào)，代表了電路的寄存器效果，配置到電路中也相當(dāng)于寄存器。

3.2 解碼器設(shè)計(jì)

解碼設(shè)計(jì)是根據(jù)HDB3碼的特點(diǎn)首先檢測出極性破壞點(diǎn)，即找出4連零碼中添加V碼的位置（破壞點(diǎn)位置），其次去掉添加的V碼，最后去掉4連零碼中添加的B碼以將其還原成單極性不歸零碼。

由HDB3碼的編碼規(guī)則可知，“0000”都被“000+1”或“000-1”或“+100+1”或“-100-1”取代，所以，只要能檢測出“+1000+1”、“-1000-1”、 “+100+1”、“-100-1”、將它們分別改為“10000” 、“10000”、“0000”、“0000”就可以了。

當(dāng)然“+1”、“-1”、“0”還是由Data1，Data0來表示，那么就需要有兩個(gè)5位移位寄存器（C和D），Data0通過D，Data1通過C。通過D，C來檢測，如果測到兩個(gè)移位寄存器分別為“10001”、“0xxx0”或“10001”、“1xxx1”或“1001x”、“1xx1x”或“1001x”、“0xx0x”，數(shù)據(jù)輸出是將D里面的數(shù)據(jù)流輸出。所以只要將D中所測到的以上數(shù)據(jù)分別改為“10000”、“10000”、“0000x”、“0000x”，這樣就可以得到HDB3碼的解碼了。

4、 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

編譯碼器在QuartusII上仿真的波形分別如圖2和圖3所示。圖2中fen_clk為分頻后時(shí)鐘信號(hào)，load 為使能信號(hào)，Q為偽隨機(jī)序列，data為編碼輸出。由于輸入的數(shù)據(jù)流經(jīng)過了5個(gè)寄存器，所以輸出延遲了4個(gè)時(shí)鐘脈沖周期。但由于時(shí)鐘頻率很高，所以影響不大。

把上述設(shè)計(jì)下載到Altera EP1C3T144C8芯片上，并通過硬件調(diào)試、測試，在示波器上得到偽隨機(jī)信號(hào)波形、編碼波形和解碼波形分別如圖4和5所示。其中，CH1為偽隨機(jī)信號(hào)，CH2分別為編碼和解碼信號(hào)。測試結(jié)果和時(shí)序仿真結(jié)果無失真。隨機(jī)信號(hào)輸入相對(duì)編碼信號(hào)輸出延遲了5個(gè)單位時(shí)鐘。解碼信號(hào)延時(shí)了11個(gè)單位時(shí)鐘。

5、 結(jié)論

實(shí)踐表明，運(yùn)用FPGA來實(shí)現(xiàn)NRZ碼到HDB3碼的轉(zhuǎn)換與采用專用集成電路CD22103相比，不僅給調(diào)試帶來了方便，而且可以把編碼電路和解碼電路及其它電路集成在同一塊FPGA芯片中，減少了外接元件，提高了集成度。該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)化集中照明控制系統(tǒng)中。然而在實(shí)際無中繼長線傳輸中，會(huì)出現(xiàn)信宿端信號(hào)嚴(yán)重失真的現(xiàn)象，一種對(duì)長線傳輸系統(tǒng)中HDB3編碼的失真信號(hào)進(jìn)行矯正的算法見文獻(xiàn)。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：本方案設(shè)計(jì)模塊可以作為IP（Intellectual Property）核，與嵌入式處理器及其他功能模塊或IP芯核相結(jié)合在一片F(xiàn)PGA上構(gòu)成片上可編程系統(tǒng)SOPC，使得所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在其規(guī)模、可靠性、體積、功耗、性能等方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

作者簡介：

吳海濤（1975-），男（漢族），山東青州市人，廣東肇慶學(xué)院電子信息工程系講師，碩士，主要從事通信、EDA技術(shù)應(yīng)用研究。

陳英?。?962-），男（漢族），廣東潮州人，廣東肇慶學(xué)院電子信息工程系副教授，主要從事計(jì)算機(jī)通信及視頻處理技術(shù)研究。

梁迎春（1975-），女（漢族），廣西玉林市人，廣東肇慶學(xué)院電子信息工程系講師，碩士，主要從事EDA/SOPC技術(shù)研究。

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