基于FPGA 的HDB4 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王善斌，孟慶志

（山東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東淄博 255200）

在實(shí)際的數(shù)字基帶通信系統(tǒng)中，為了減少碼間串?dāng)_和噪聲干擾使信息能夠在基帶中順利傳輸，一般將不歸零碼（NRZ）信號(hào)編碼成適合基帶傳輸?shù)拇a元信號(hào)。由于噪聲干擾和其他原因，如取果在接收的數(shù)字序列中出現(xiàn)較長(zhǎng)的連零，便可能導(dǎo)致定時(shí)信息的消失，使正常的數(shù)據(jù)接收失效，這是數(shù)字通信系統(tǒng)不能容忍的。在傳輸碼的選擇中，常常需要設(shè)計(jì)出滿足信道各種特性的碼型，其中，HDB3編碼因?yàn)槠鋬?yōu)點(diǎn)較多且改進(jìn)了AMI編碼關(guān)于“連零”問題而成為常見的碼型之一。HDB3的編碼規(guī)則變化在當(dāng)檢測(cè)到4個(gè)連零時(shí)，會(huì)加入破壞字節(jié)。但編碼后連零數(shù)只有3個(gè)，導(dǎo)致編碼效率和傳輸效率過低。本文基于此，旨在通過FPGA設(shè)計(jì)出一種HDB4的編碼，增加了對(duì)零的“容忍度”，增加了編碼和傳輸?shù)男?。HDB4具有如下特點(diǎn)：①不含直流，且低頻分量少；②具有豐富的定時(shí)信息，利于提取定時(shí)信號(hào)；③功率譜主瓣寬度變小，提高了頻帶利用率；④具有檢錯(cuò)能力；⑤編譯碼簡(jiǎn)單，傳輸時(shí)延小等。

1 HDB4 編碼模塊設(shè)計(jì)

1.1 HDB4 編碼設(shè)計(jì)原理

HDB4 的基本原理同HDB3 基本一樣，數(shù)據(jù)“1”正負(fù)交替，當(dāng)檢測(cè)到連零狀態(tài)后，插入破壞節(jié)，其整體數(shù)據(jù)“V”碼單獨(dú)交替，“1”碼和“B”碼交替。HDB4 碼的編碼規(guī)則為：①取代。當(dāng)信息遇到5 個(gè)連“0”二進(jìn)制信息碼用取代節(jié)“0000V”或“B000V”代替。取代的原則：簡(jiǎn)記為“V 奇數(shù)V”，即2 個(gè)“V”碼之間“1”碼的個(gè)數(shù)為奇數(shù)。②加符號(hào)。“V”碼與前一非零碼相同，其他相反。③畫波形。HDB4 碼波形的占空比為0.5。

HDB4 的編碼主要分為三大模塊，插入“V”碼模塊，負(fù)責(zé)“V”碼的插入，并將信號(hào)進(jìn)行“拓展”，1 位數(shù)據(jù)變?yōu)? 位數(shù)據(jù)；插入“B”碼模塊，對(duì)數(shù)據(jù)“1”進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過奇偶來判斷是否需要插入“B”碼，并在合適的時(shí)候插入；極性變換模塊，將傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行類AMI編碼。HDB4 設(shè)計(jì)的總體框架如圖1 所示。

圖1 HDB4 框架

1.2 插入“V”碼

插入“V”碼是數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谝徊竭^程。其基本設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 插入“V”碼流程

輸入數(shù)字信號(hào)后，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)分別執(zhí)行不同的程序。當(dāng)輸入為“1”時(shí)，令輸出為“01”，并將檢測(cè)連零數(shù)的計(jì)數(shù)器歸零。如果輸入為“0”時(shí)，則同時(shí)執(zhí)行計(jì)數(shù)器加1 操作和計(jì)數(shù)器的判斷操作，當(dāng)檢測(cè)到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為4 時(shí)，此時(shí)已經(jīng)輸入為第五個(gè)零，將第五個(gè)數(shù)據(jù)輸入為零的輸出設(shè)為11，并將計(jì)數(shù)器清零，其他情況則輸出00。

經(jīng)過此模塊的數(shù)據(jù)比原數(shù)據(jù)均多一位，數(shù)字信息0 對(duì)應(yīng)著00 和代表“V”碼的11，數(shù)字信息1 對(duì)應(yīng)著01。

1.3 插入“B”碼

插入“B”碼是數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡诙竭^程。其基本設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。

圖3 插入“B”碼流程

這里采用5 位移位寄存器是根據(jù)HDB3 碼編碼規(guī)則的特點(diǎn)決定的，經(jīng)插“V”后，連零串中的第5 個(gè)“0”變成“V”碼，代碼中的連零個(gè)數(shù)最多是4 個(gè)，而插入“B”碼的操作是把在由“0”碼變成“V”碼之前的第一個(gè)非零碼之后的“0”變換成“B”碼，由此可見，得整個(gè)過程中信息數(shù)一定不超過5 個(gè)“0”，因此只需要5 個(gè)一位寄存器就可以通過輸入狀態(tài)來決定是否應(yīng)插入“B”碼。將信息代碼中輸出的信號(hào)一位一位地放進(jìn)自己定義好的移位寄存器中，接下來進(jìn)行判斷：如果輸入的是“00”，則自己設(shè)的判偶寄存器count 保持不變，5 個(gè)移位寄存器正常往后存信號(hào)；如果輸入的是“01”，則判偶寄存器count 加1，5 個(gè)移位寄存器正常往后存信號(hào)；如果輸入的是“11”，判斷是否為第一個(gè)“11”輸入，如果是，則將標(biāo)志寄存器firstv 置為1，5 個(gè)移位寄存器正常往后存信號(hào)，如果不是，則判斷判偶寄存器count 是否為偶數(shù)，如果不是，則將判偶寄存器count 置0，5 個(gè)移位寄存器正常往后存信號(hào)，否則，將這5 位移位寄存器的最低位寄存器賦值為“10”（這里面的“00”代表0，“01”代表“1”，“11”代表“V”）。

1.4 極性變換

將信號(hào)雙極性變換是數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谌竭^程。其基本設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

圖4 雙極性變換流程

將插“B”碼后的信號(hào)一位一位輸入進(jìn)去，判斷是否為“01”或“10”碼，如果是則判斷標(biāo)志位flag1b 是否為1，如果是，則輸出“01”并且將flag_b 置0，若不是，則輸出“10”，并將flag_b 置1；如果判斷不是“01”或“10”碼，則判斷輸入是否為“11”，如果不是則輸出“00”，保持標(biāo)志位flag 不變，如果是，則判斷flag_v 是否為1，不是則輸出“01”，是則輸出“10”（此輸出中的“10”代表正電平，“01”代表負(fù)電平，“00”代表零電平）。

2 HDB4 譯碼模塊設(shè)計(jì)

2.1 譯碼器的設(shè)計(jì)原理

HDB4 的譯碼原理主要為發(fā)現(xiàn)取代節(jié)然后把取代節(jié)替換為5 個(gè)連零。其具體實(shí)現(xiàn)如下：在接收端收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過移位寄存器分別與寄存器A（存儲(chǔ)“10000V”）和寄存器B（存儲(chǔ)“B000V”）相異或，結(jié)果為零把“10000V”改成“100000”、把“B000V”改成“00000”輸出。異或結(jié)果不為零正常輸出。其譯碼原理方框圖如圖5 所示。在FPGA 收到已經(jīng)譯好的HDB3 碼（雙相碼）后，根據(jù)是否為“XX 00 00 00 00 XX”或“ XX 00 00 00 XX ”的碼型來進(jìn)行扣“V”扣“B”的操作，最后在輸出時(shí)將雙相碼轉(zhuǎn)換為0 和1 碼輸出出去，方框圖如圖5 所示。流程圖如圖6 所示。

圖5 譯碼器設(shè)計(jì)方框圖

圖6 譯碼器設(shè)計(jì)流程圖

2.2 譯碼器相關(guān)主要代碼分析

if（（data [9：0]＝＝10'b0100000001）||（data [9：0]＝＝10'b1100000011））

begin

data[1：0]〈＝messagein;

//messagein 為輸入雙相碼信息

data[3：2]〈＝2'b00;

data[5：4]〈＝data[3：2];

data[7：6]〈＝data[5：4];

data[9：8]〈＝data[7：6];

data[11：10]〈＝2'b00;

end//對(duì)B000V 碼型進(jìn)行扣B 扣V 操作

if（（data[11：0]＝＝12'b010000000001）||（data[11：0]＝＝12'b110000000011））

begin

data[1

：0]〈＝messagein;

data[3：2]〈＝2'b00;

data[5：4]〈＝data[3：2];

data[7：6]〈＝data[5：4];

data[9：8]〈＝data[7：6];

data[11：10]〈＝data[9：8];

end//對(duì)10000V 碼型進(jìn)行扣V 操作

case（data[11：10]）

2'b00：begin temp〈＝1'b0; end

2'b01，2'b11：begin temp〈＝1'b1; end

default：begin temp〈＝1'bz; end

endcase

//將寄存器高兩位轉(zhuǎn)換成0 碼或1 碼并輸出

3 FPGA 總體設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

3.1 FPGA 的總體設(shè)計(jì)

HDB4 編碼原理RTL 框圖如圖7 所示，輸入為一位的消息信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)以及復(fù)位信號(hào)，經(jīng)插V 模塊、插B 模塊、雙極性變換模塊以及譯碼模塊這4 個(gè)模塊后輸出一位的譯碼信號(hào)。

圖7 HDB4 編碼原理RTL 框圖

3.2 HDB4 編譯碼模塊仿真分析

下面對(duì)該HDB4 模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真時(shí)鐘設(shè)置為32 MHz，先進(jìn)行復(fù)位再開始進(jìn)行消息的傳輸，傳輸是在時(shí)鐘的每個(gè)上升沿進(jìn)行的（也就意味著一個(gè)時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)消息）。在總模塊開始時(shí)，輸入信息為“1000010000110000000011”，圖8 中，第一行為時(shí)鐘信號(hào)；第二行為復(fù)位信號(hào)；第三行為消息信號(hào)；第四行為插V 后的信號(hào)；第五行為插B 后的信號(hào)；第六行為雙極性變換后的信號(hào)；第七行為譯碼后的信號(hào)。

圖8 綜合模塊仿真圖

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的HDB4 編碼模塊簡(jiǎn)單易懂，在數(shù)字處理上利用FPGA 相較于單片機(jī)具有很高的靈活性，其可以集成到不同的通信系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的速度。

在本次設(shè)計(jì)之中也有一些需要注意的地方，比如寫仿真文件在時(shí)鐘信號(hào)最開始的時(shí)候一定要設(shè)置為1，否則將會(huì)在復(fù)位結(jié)束時(shí)比正常情況多發(fā)一個(gè)時(shí)鐘的信息導(dǎo)致消息錯(cuò)亂；在譯碼傳輸數(shù)據(jù)時(shí)如果要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行改動(dòng)的話要直接對(duì)該寄存器的傳輸數(shù)據(jù)對(duì)象的寄存器進(jìn)行改動(dòng)，否則時(shí)序會(huì)錯(cuò)位，導(dǎo)致譯碼錯(cuò)誤。