畢業(yè)論文——基于FPGA的HDB3編解碼器的設(shè)計

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1、基于FPGA的HDB3編解碼器的設(shè)計摘 要：本文簡要介紹了HDB3的基本原理和結(jié)構(gòu)，分析了現(xiàn)有的HDB3編碼器和譯碼器的缺點，然后提出了一個基于FPGA的HDB3編碼器和譯碼器的新的設(shè)計，并介紹了硬件設(shè)計電路和軟件仿真。在Quartus7.2的開發(fā)環(huán)境中，通過VERILOG-HDL在EP2C35F672C8 CycloneII系列的芯片上來實現(xiàn)仿真。結(jié)果表明，本設(shè)計滿足HDB3編碼器和譯碼器的要求，具有簡易的硬件電路和靈活可變的軟件，運算快速，可以用在特定的通信系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：FPGA；HDB3；編碼器和譯碼器I. 介 紹通信鏈路的編碼研究是現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)的重要課題。行模式選擇正確時，有利于提

2、高通信質(zhì)量，改善傳輸性能和擴展傳播距離。HDB3(高密度雙相碼)被稱為高角度雙相編碼，它甚至被允許“0”數(shù)量最大不超過3，這有利于定時信號的復(fù)位。因為它使用極性逆轉(zhuǎn)，基帶信號沒有直流分量，且非常小的低頻成分，這個曼徹斯特代碼有一個特定的錯誤檢測能力，而且非常容易解碼。現(xiàn)在，這個代碼被廣泛用于數(shù)字移動通信、數(shù)字光纖通信和數(shù)字微波通信系統(tǒng)，這是一個現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)的主要組成部分。它也是一個數(shù)字光纖光學(xué)通訊設(shè)備和PCM設(shè)備的接口模式，PCM設(shè)備是CCITT推薦的PCM基礎(chǔ)組、中等組和三組。因此，研究HDB3編解碼器是至關(guān)重要的。II. HDB3編碼和解碼的基本準則 HDB3碼是一種基于AMl的代碼改

3、進的雙相NRZ碼。當數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)超過四個或含0字符的四個字符時，HDB3碼是AMI碼(替代馬克反演碼)，也就是說交替極性信號。當數(shù)據(jù)出現(xiàn)在四個以上或含0的四個以上字符時，首先字符根據(jù)AMI編碼規(guī)則進行編碼，然后遵循這些步驟。第四個“0”必須改變?yōu)榉恰?”脈沖，標志著“+ V”或“V”，也被稱為“破壞性的脈沖”。至于“+ V”或“V”，其正極性和負極性應(yīng)與原非極性的“0”的極性相同。與此同時，相鄰的“V”的標志交替變換極性，以確保代碼沒有直流組件。在本文中，字符串“000V”被稱為“破壞性序列”。當信號“V”和另一個相鄰的信號之間的非“0”的數(shù)目是單的時候，編譯后的代碼是HDB3編碼。相反，第一

4、個“0”在“破壞性序列”應(yīng)當更換為“+B”或“-B”。對于“+B”或“-B”，它的正極性和負極性應(yīng)當與前面的非“0”的相反，而非“0”的符號在“V”的后面，然后開始變換。它的轉(zhuǎn)換步驟見圖1。二進制序列 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1AMI碼 1 -1 1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 1編碼的第一步 1 -1 1 0 0 0 V -1 0 0 0 -V 0 0 0 -V 1編碼的第二步 1 -1 1 0 0 0 V -1 0 0 0 -V B 0 0 V -1圖1.HDB3編碼的格式HDB3碼的解碼是編碼的逆過程，解碼比編碼更容易實現(xiàn)

5、?？梢钥闯鼍幋a規(guī)則，符號的破壞性脈沖極性總是與“V”前一樣，包括“B”。因此，從HDB3的編碼序列很容易識別“V”的符號。與此同時,可以得出結(jié)論，“V”的標志和三個相鄰符號必須是0，所以它們可以恢復(fù)成四個相鄰的“0”代碼。然后所有的“-1”變成“+1”,這是可用的原始資料來源。III. HDB3編解碼器的設(shè)計 目前，許多學(xué)者已經(jīng)在設(shè)計和研究HDB3編解碼器。一方面是，堵塞“B”后添加“V”。另一方面是，該變量的信號雙極或單極輸出在參考文獻1中實現(xiàn)。當破壞符號插入時,信號的極性在編程過程中預(yù)留一邊。該變量雙極或單極輸出信號也在參考文獻2中計算出來。首先，四個相鄰的“0”代碼以及增加的“V”被檢測

6、出來。此外,一個破壞性的序列判定電路被設(shè)計出來。最后，HDB3編碼獲得?；贑D22103的HDB3編解碼器也被其他學(xué)者應(yīng)用，這些設(shè)計方法大部分都基于AMI編解碼器的進化。HDB3編解碼器的規(guī)則一步一步進行到完全一致，過程復(fù)雜，缺乏優(yōu)化。插入“V”和“B”在這個過程中沒有分開,但這兩個步驟在本文中通過設(shè)置的信號參數(shù)合并到一起。根據(jù)實際需要，已經(jīng)插入的脈沖“V”和“B”分別被“+ 1”或“1”取代。在系統(tǒng)的編譯過程中，字符串“00”是用來表示符號“0”,“01”代表符號“0”,“11”被視為“-1”，這是不同于其他設(shè)計系統(tǒng)中的增加脈沖“V”和插入脈沖“B”后的信號極性判斷。A. 編碼器的設(shè)計HD

7、B3編碼電路方框圖如圖2所示，根據(jù)HDB3規(guī)則進行編碼。零界的檢測首先通過輸入NRZ碼來實現(xiàn)，確定哪一個是四個“0”代碼相鄰的，相鄰的四個“0”碼將取代破壞性的“000V”或“B00V”序列。第一個相鄰的四個“0”代碼必須被摧毀的“000 V”序列所取代，有兩個邏輯電路的圖插入“V”脈沖和“B”脈沖。一個是當輸入信號序列是AMI碼,輸入信號直接輸出。另一個是當輸入的信號數(shù)量是等于或大于4，4n(n = 1、2、N)空數(shù)字而不是使用大規(guī)模數(shù)據(jù)，插入“V”脈沖。而“V”脈沖的位置僅僅是替代了空著的第一個符號位，輸出四個空字符串。在“B”的脈沖填滿了HDB3碼。根據(jù)破壞性序列的準則，決定“B”脈沖是

8、否插入“V”信號脈沖。是否加入大量空號或者原來的數(shù)字是保留在第一個4位空字符串中。同時,通過判斷奇偶校驗的非零字符的數(shù)量，在兩個破壞性脈沖之間選擇哪一個破壞時序電路。最后HDB3編碼序列的電路輸出扭轉(zhuǎn)形成交替，輸入序列和輸出序列是串行輸入和串行輸出。 HDB3的編碼可以通過可編程芯片EP2C35F672C8來完成,兩極的HDB3編碼是通過外部電路對稱的結(jié)構(gòu)來完成，電路如圖3所示。pin1和pin2分別是正向和負向的單極輸入脈沖，這是由晶體管、電阻和電容組成，極性是由結(jié)合了高低信號的PNP型和NPN型的基極和發(fā)射級而改變的。圖2.HDB3編碼電路的功能模塊圖解圖3.HDB3編碼的電路圖B. 解碼

9、器的設(shè)計HDB3解碼是其逆變換，這時HDB3碼會減少到一個二進制的NRZ碼。HDB3解碼電路圖如圖4所示。首先，HDB3編碼及其逆變換通過一個平衡放大與非門的輸出。然后，HDB3+和HDB3-信號由雙或單輸出轉(zhuǎn)換。因為破壞性脈沖對HDB3編碼的影響,信號的互相及時轉(zhuǎn)換不能用于兩路二進制信號。因此信號甚至可能是一個非連續(xù)的兩個脈沖信號，以免另一個等同于“0”?！癡”脈沖的檢測是兩路脈沖，兩路二進制代碼的雙脈沖信號，這被稱為“V”脈沖。此外，NRZ信號輸出的時間決定是否發(fā)送到與非門。“B”脈沖和“V”脈沖信號同時得到。最后綜合兩個從“HDB3+”和“HDB3-”輸出的信號，“V”脈沖被減少到NRZ

10、信號。HDB3解碼的電路圖如圖5所示。圖4.HDB3解碼電路的功能模塊圖解圖5.HDB3解碼的電路圖 圖6.編碼流程圖 圖7.解碼流程圖編碼和解碼軟件流程在圖6和圖7中。verilog hdl仿真程序的一部分編碼和解碼：插入“V”的過程。always (clk=1)if (data_in=0 and sl3v(3 downto 1)=000)numv=1; judv=1;sl3v=(1 & sl3v(3 downto 1);else numv=0; judv=0;sl3v=data_in & sl3v(3 downto 1);The process of counting.if (judv=1

11、)sl2v=000;else always (clk=1)if (sl2v=111)sl2v=sl2v;else sl2v=sl2v+1;The process of V point tracking.if (numv=1)parv=0;else always (clk=1)if(data_in=1)parv=1;else parv=0; HDB3編解碼器的實時仿真是通過QartusII 7.2來實現(xiàn)的，包括輸出仿真結(jié)果，波形是否完全符合HDB3編解碼器在圖8和圖9中的編碼規(guī)則，編碼頻率100MHZ是系統(tǒng)時鐘輸入。在圖8中data_in1000011包括輸入二進制代碼的連續(xù)四個字符0。在HDB

12、3編碼的基礎(chǔ)原則上，輸出碼轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出data_out是 11。在圖9中輸入系統(tǒng)時鐘,時鐘頻率100MHZ。data0是HDB3輸入代碼類型，data1是HDB3相反的代碼，data_out是二進制輸出流。圖8.HDB3編碼的仿真波形圖9.HDB3解碼的仿真波形IV.結(jié) 論 FPGA技術(shù)用于數(shù)字通信系統(tǒng)，用芯片可以實現(xiàn)多種數(shù)字邏輯功能并且由于靈活多變的方式而提高了工作效率。在本文中，HDB3編解碼器的設(shè)計是基于FPGA實現(xiàn)的。首先，硬件電路的設(shè)計以及電路的仿真由軟件來完成，因為它是由很簡單的硬件電路來演示的。當進行仿真的時候，添加脈沖“V”和“B”在一起。本設(shè)計使用的芯片是Altera公司的C

13、ycloneII系列，有強大的模擬功能。該系統(tǒng)基于光纖通信原理實驗箱，有簡單的硬件電路、可擦寫的EP2C35F672C8芯片和編譯能力強的verilog hdl語言，具有容易升級，高靈活性的特點。系統(tǒng)只有12個存儲單元和12個寄存器，冗余少，運算速度快。本設(shè)計雖沒有應(yīng)用通信實驗教學(xué),但滿足了實際的通信系統(tǒng)傳輸?shù)木幋a要求，具有實際應(yīng)用價值。 0參考文獻1 WANG Guang-yu; ZHANG Xiang-dong.A New Method Using VHDL Language to Code the HDB3J.Communications Technology, vol.12, pp.2

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