基于VHDL语言的HDB3码的编码和译码.docx
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基于VHDL语言的HDB3码的编码和译码
摘要
伴随着集成电路技术的发展,电子设计自动化(EDA)逐渐成为重要的设计手段,已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。
EDA的一个重要特征就是使用硬件描述语言(VHDL)来完成设计文件。
诞生于1982年的VHDL语言是经IEEE确认的标准硬件描述语言,在电子设计领域受到了广泛的接受。
数字基带信号的要求主要有两点,第一是对各种代码的要求,期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型;第二则是对所选的码型的波形的要求,期望波形适宜于在信道中传输。
HDB3编码是数字基带信号传输中常用的传输码型,因其具有无直流成分,低频成分少和连零位数目最多不超过三个等明显的优点,对时钟信号的恢复十分有利而成为普遍使用的基带传输码之一。
本设计是在QuartusII开发环境下采用VHDL语言的,设计HDB3编码器和译码器。
根据编码规则将译码器分为三个部分:
插V模块、插B模块、单极性变双极性模块。
根据译码规则,译码器只包含一个模块。
最后,对每个模块进行仿真,实现相应功能后再进行整体仿真。
关键词HDB3VHDL编码译码
Abstract
TheElectronicDesignAutomation(EDA)technologyhasbecomeanimportantdesignmethodofanaloganddigitalcircuitsystemgrowing.OneimportantcharacteristicoftheEDAAsistheintegratedcircuitoneofthestandarddescriptionlanguagesvalidatedbyIEEE,whichwasfirstlyintroducedin1982.Anditwaswidelyusedbyelectronicdesignernow.
Therequirementsofdigitalbasebandsignalsaretwopoints,Thefirstistherequirementofvariouscode,expectedthepreparationoftheoriginalinformationsymbolsusedtopatterninaformsuitablefortransmission;Thesecondistherequirementsofthepatternoftheselectedwaveform,expectedwaveformsuitablefortransmissioninthechannel.TheHDB3codingschemeiscommonlyusedindigitalbasebandtransmission.TheHDB3code,whichhasfeaturesofzeroDCbiasviaalternatingpositive-negativevoltagelevelbitbybitandnomorethanthreecontinuous-zerobits,deducesthepowerdissipationandmakesthereceivingdeviceeasytorecovertheclockinthetransmittedcodestream.somymajorcontentofgraduateddesignisdesigningbasedontheHDB3volume/decoderofVHDLlanguage,therequirementthatitwillreachisthebasicskillthatcanrealizeHDB3volume/decoderfunctioninsoftwarecan,andcancoordinateentiredesign,makesureitreachtherequirementthatanticipated.ThisdesigninQuartusIIdevelopmentenvironmentusesVHDLlanguagetodesignHDB3encoderanddecoder.Accordingtotheencodingrules,therearethreepartsindecoder:
insertthemoduleV,insertthemoduleB,theunipolarvariablebipolarmodule..Accordingtothedecodingrules,decodercontainsonlyonemodule.Finally,thesimulationofeachmodule,itachievethecorrespondingfunctionandthenachievethewholesimulation.
KeywordsVHDLHDB3EncodingDecoding
CONTENTS
第1章绪论
数字通信的主要特点:
抗干扰能力强,尤其是数字信号通过中继再生后可消除噪声积累;数字信号通过差错控制编码,可提高通信的可靠性;由于数字通信传输一般采用二进制码,所以可使用计算机对数字信号进行处理,实现复杂的远距离大规模自动控制系统和自动数据处理系统,实现以计算机为中心的通信网;在数字通信中,各种消息(模拟的和离散的)都可变成统一的数字信号进行传输;在系统中对数字信号传输情况的监视信号、控制信号及业务信号都可采用数字信号[1]。
数字传输和数字交换技术结合起来组成的ISDN对于来自不同信源的信号自动地进行变换、综合、传输处理、存储和分离,实现各种综合业务;数字信号易于加密处理,所以数字通信保密性强。
数字通信的缺点是比模拟信号占带宽,然而,由于毫米波和光纤通信的出现,带宽已不成问题。
目前,信道编码被广泛地应用于数字通信,图像处理系统中,成为数据传输中不可缺少的部分。
HDB3(HighDensityBipolar)码是AMI码的改进型,具有无直流分量,少低频分量,易于提取位同步信号并具有内在的检错能力等优点,成为广泛应用于基带传输系统中的码型,ITU2TG.703规定:
2Mb/s,8Mb/s和34Mb/s的数字接口均采用HDB3码,因此设计一个稳定的HDB3码的编译码器就显得很有价值[2]。
市场上虽有专用的CD22103A芯片,但是该芯片只具有编译码功能,在使用时需另配位同步提取和电压极性转换电路,不利于系统的集成。
在本论文中,我用VHDL语言进行了对HDB3码的编码和译码。
1.1研究目的和意义
随着科学技术的不断发展,数字通信在日常生活中到处可见,在数字通信中编解码器的应用更是很广泛。
编解码器经常用在视频会议和流媒体等应用中,通常主要还是用在广电行业,作前端应用。
编解码器是在同一装置中,由工作于相反传输方向的编码器和解码器构成的组合体。
大多数编解码器是有损的,目的是为了得到更大的压缩比和更小的文件大小。
而HDB3码因具有无直流成分,低频成分和连0个数最多不超过三个等明显优点,对定时信号的回复十分有利,而成为普遍使用的基带传输码之一[3]。
与其他硬件描述语言相比,VHDL具有更强的行为描述能力,从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。
强大的行为描述能力是避开具体的器件结构,从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。
文中结合HDB3的编码规则,给出了一种使用VHDL语言实现HDB3编码的思路和方法。
1.2基带传输码型简介
作为传输用的基带信号归纳起来有如下要求:
第一,希望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型;第二,对所选码型的电波形,希望它适宜于在信道中传输。
可进行基带传输的码型较多,本节主要介绍几种常用的码型。
1.2.1AMI码
AMI码称为传号交替反转码。
HDB3码就是有它改进而成的。
AMI码的编码规则为代码中的0仍为传输码0,而把代码中的1交替的变换为传输码的+1-1+1-1,…[1]。
二进制数0以零电平表示,数1交替地用正负极性电平表示。
接收端极性规律遭到破坏时便判为出现误码,因此AMI码具有自检错能力。
在常规状态下,同步信息用数字锁相环便可很容易地提取出来,但如果在数据流中连续出现多个0,则同步信息难以提取,在系统同步工作以前部分数据将会丢失,故AMI码有以下特点:
1无直流成分且低频成分很小,因而在信道传输中不易造成信号失真。
2编码电路简单,便于观察误码状况。
3由于它可以出现长的连0串,因而不利于接收端的定时信号的提取。
1.2.2数字双相码
在本文中很好的利用了双相码解决了设计时遇到的QuartusII仿真软件中不能出现“-1”的这个问题,接下来我将介绍数字双相码。
数字双相码的编码规则是:
用分别持续半个码元周期的正负电平组合表示信码“1”;用分别持续半个码元周期的负正电平组合表示信码“0”。
双相码要求每一位中都要有一个电平转换。
因而这种代码的最大优点是自定时,同时双相码也有检测错误的功能,如果某一位中间缺少了电平翻转,则被认为是违例代码。
曼彻斯特码(ManchesterCode)是一种双相码。
我们用高电平到低电平的转换边表示“0”,而用低电平到高电平的转换边表示“1”,位中间的电平转换边既表示了数据代码,也作为定时信号使用曼彻斯特编码用在以太网中。
差分曼彻斯特码,这种编码也是一种双相码,和曼彻斯特编码不同的是,这种编码的码元中间的电平转换边只作为定时信号,而不表示数据。
数据的表示在于每一位开始处是否有电平转换:
有电平转换表示0,无电平转换表示1,差分曼彻斯特编码用在令牌环网中。
由曼彻斯特和差分曼彻斯特码这两种双相码的每一个码元都要调制为两个不同的电平,因而调制速率是码元速率的两倍。
这无疑对信道的带宽提出了更高的要求,所以实现起来更困难也更昂贵,但由于其良好的抗噪声特性和自定时能力,所以在局域网中仍被广泛使用。
1.2.3NRZ码
本文主要讨论的就是怎样将NRZ码变成HDB3码。
故以下将介绍NRZ码。
数字通信的根本任务是远距离、准确地传输数字信息。
在数字通信终端设备中,传输不同的信息速率,选择何种线路传输码型,对数字线路的传输质量、适合性和经济性就显得十分重要。
NRZ码(non-returntozero),即单极性不归零码,是数字基带信息常用的码型。
不归零码的规律是当“1”出现时电平翻转,当0出现时电平不翻转。
因而数据“1”和“0”的区别不是高低电平,而是电平是否转换这种代码也叫差分码,用在终端到调制解调器的接口中。
这种编码的特点是实现起来简单而且费用低,但不是自定时的。
NRZ码缺点很多:
含有直流成分,低频成分较大;接收时的判决门限为接收电平的一半,门限不稳定,判决容易出错;不便直接从接收码序列中提取同步信号。
基于以上缺点,NRZ码不适合用于进行信道传输[2]。
1.3VHDL语言简介
1.3.1VHDL定义
VHDL(VHSICHardwareDescriptionLanguage)是一个详细且庞大的硬件描述语言。
它在20世纪80年代后期由美国国防部开发,并成功地应用在软硬件系统的仿真、验证和设计综合等领域,对于实际自动化的发展起到了极大的促进和推动作用。
VHDL语言在硬件设计领域的作用将与C和C++在软件设计领域的作用一样,在大规模数字系统设计中,它将逐步取代
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