基于E-Labsim的HDB3編譯碼的仿真分析

時(shí)雪松 趙晏 張曉玉

摘要：HDB3編譯碼電路實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置存在噪聲干擾、內(nèi)阻等原因，得到的歸零碼與非歸零碼波形與理論波形存在一定的偏差，容易與編譯碼方法相悖，造成理解錯(cuò)誤，采用E-Labsim電子仿真軟件，仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K和仿真儀表對(duì)電路進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果與與理論值完全一致。

關(guān)鍵詞：數(shù)字通信原理;數(shù)字基帶傳輸;HDB3編譯碼;E-Labsim;仿真

1???? HDB3編譯碼理論分析

《數(shù)字通信原理》是通信專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)通信專(zhuān)業(yè)學(xué)生的后續(xù)課程，例如衛(wèi)星通信、短波通信專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)具有重要的支撐作用。而HDB3編譯碼實(shí)驗(yàn)是數(shù)字基帶傳輸中重要的組成部分，用于分析HDB3編碼、譯碼的方法，以及實(shí)際電路中信號(hào)的傳輸形式。

數(shù)字基帶傳輸不經(jīng)過(guò)載波調(diào)制與解調(diào)而讓基帶信號(hào)直接進(jìn)行傳輸，[1]例如在市區(qū)內(nèi)利用電傳機(jī)直接進(jìn)行電報(bào)通信，或者利用中繼方式在長(zhǎng)距離直接傳輸PCM信號(hào)等。它的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)由信源、信道信號(hào)形成器、信道、接收濾波器以及抽樣判決器組成。

而對(duì)于數(shù)字基帶信號(hào)，為了使其適合在數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸，需要傳輸碼的結(jié)構(gòu)具有下列主要特征[2]：

（1）???? 無(wú)直流成分和只有很小的低頻成分;

（2）???? 具有一定的檢錯(cuò)能力

（3）???? 便于提取定時(shí)信息

而HDB3碼是最常用的數(shù)字基帶傳輸碼型之一，根據(jù)對(duì)它功率譜進(jìn)行分析，它直流分量、低頻分量少，能量集中在fs/2處，這一特點(diǎn)使其主要應(yīng)用在低頻，適合在高質(zhì)量的有線信道中進(jìn)行傳輸，并且具有一定的檢錯(cuò)能力，所以被CCITT所推薦使用。

HDB3碼的編碼過(guò)程可分為四步：

（1）???? 將原始碼用AMI編碼方式進(jìn)行編碼，即1 編為正負(fù)電平極性交替，0不變，編為0;

（2）???? 當(dāng)出現(xiàn)4 個(gè)或4 個(gè)以上連“0”串時(shí)每4 個(gè)連“0”碼分為一組，并用000V取代節(jié)來(lái)代替，V是±V，V的符號(hào)與前一非“0”符號(hào)相同，并且相鄰V符號(hào)也應(yīng)極性交替，V稱為破壞脈沖;

（3）???? 當(dāng)相鄰V 符號(hào)之間有奇數(shù)個(gè)非“0”符號(hào)時(shí)，編碼規(guī)則按照前兩條;當(dāng)有偶數(shù)個(gè)非“0”符號(hào)（含0 個(gè)）時(shí)，以取代節(jié)B00V來(lái)代替，B是±B，B符號(hào)的極性與前一非“0”符號(hào)相反;

（4）???? 將相應(yīng)的V、B轉(zhuǎn)換為相應(yīng)極性的正負(fù)電平。

由于相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)儀器精度要求高，容易受到外界干擾，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的最大問(wèn)題就是實(shí)驗(yàn)不好做，實(shí)驗(yàn)效果不理想。因此，針對(duì)數(shù)字通信原理課程的特點(diǎn)，在教學(xué)中借助虛擬的仿真軟件在計(jì)算機(jī)上模擬相關(guān)的軟硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，利用好教學(xué)軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且為學(xué)生在有限時(shí)間內(nèi)掌握數(shù)字通信原理的理論知識(shí)提供了便利。

2???? E-Labsim簡(jiǎn)介

e-Labsim仿真型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室是一套根據(jù)教學(xué)的需要，兼顧一般仿真型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，將實(shí)際的硬件設(shè)備通過(guò)虛擬化，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)與硬件相同的功能及操作方式。

e-Labsim仿真型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室是一種虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和平臺(tái)，但其又不同于普通的“虛擬實(shí)驗(yàn)室”的概念，為了能做到實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放以及讓學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方面，我們主要采取了幾個(gè)方面的思路和方案：

（1）???? 建立真實(shí)完整的實(shí)驗(yàn)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境下感受到的是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境;

（2）???? 將實(shí)驗(yàn)對(duì)象按知識(shí)體系切割為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的模塊，學(xué)生可以按照自己的意愿將各模塊以不同的方式進(jìn)行組合以搭建出不同的功能實(shí)體或系統(tǒng)。

3???? E-Labsim的HDB3編譯碼仿真實(shí)例

實(shí)驗(yàn)是來(lái)驗(yàn)證HDB3碼編碼以及譯碼的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)原理如圖2 所示，數(shù)字信號(hào)源產(chǎn)生兩路信號(hào)輸入，PN15提供原始基帶信號(hào)，CLK提供數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)，用來(lái)識(shí)別一次編碼、譯碼開(kāi)始與結(jié)束的時(shí)間，兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)HDB3編碼輸出兩路信號(hào)，HDB3-A1/HDB3-B1分別是HDB3奇數(shù)位、偶數(shù)位的編碼結(jié)果，經(jīng)過(guò)電平變換，將單極性信號(hào)變?yōu)殡p極性信號(hào)，進(jìn)行輸出，譯碼則是恢復(fù)原始二進(jìn)制碼元的過(guò)程，極性反變換變?yōu)槠鏀?shù)偶數(shù)兩路信號(hào)，進(jìn)行相加合成，轉(zhuǎn)換為單極性碼，通過(guò)鎖相環(huán)產(chǎn)生譯碼時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)行譯碼，恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)以及時(shí)鐘信號(hào)。

按照實(shí)驗(yàn)原理圖，利用e-labsim進(jìn)行線路的連接，連接方法如圖3 所示，

（1）HDB3編碼輸出

通過(guò)e-labsim仿真示波器可以清楚的看到數(shù)字基帶輸入的編碼結(jié)果以及編碼輸出HDB3碼，圖4 中，上方為編碼輸入的原始基帶信號(hào)，下方為編碼輸出的HDB3碼，實(shí)線右方為一次數(shù)字基帶信號(hào)開(kāi)始的時(shí)刻，虛線右方為一次HDB3編碼的結(jié)果，根據(jù)HDB3碼的編碼規(guī)則，原始的數(shù)字基帶信 號(hào)? “111100010011010”編 成了HDB3碼“-1+1-1+1000-100+1-10+10”，滿足HDB3碼的編碼規(guī)則。

4???? 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字通信原理是一門(mén)理論性很強(qiáng)的學(xué)科，其實(shí)驗(yàn)是建立在理論的基礎(chǔ)之上的，由于實(shí)驗(yàn)箱存在一定干擾，得到的圖像會(huì)有一定的失真，使得學(xué)生無(wú)法與理論知識(shí)相聯(lián)系，利用E-Labsim仿真軟件對(duì)通信電子線路進(jìn)行性能分析、測(cè)試，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，此外，利用E-Labsim仿真軟件對(duì)功能電路進(jìn)行性能測(cè)試，不用擔(dān)心元器件的損壞及電路安全，學(xué)生經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試后，再進(jìn)行實(shí)際電路調(diào)試，更有針對(duì)性。利用E-Labsim仿真軟件教學(xué)是既經(jīng)濟(jì)又安全的科學(xué)教學(xué)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012

[2]?? 王興亮，寇媛媛.數(shù)字通信原理與技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2016

[3]?? 劉學(xué)勇.詳解MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011