基于FPGA的HDB3编解码器设计

1 引言

HDB3(High Density Bipolar三阶高密度双极性)码是在AMI码的基础上改进的一种双极性归零码，它除具有AMI码功率谱中无直流分量，可进行差错自检等优点外，还克服了AMI码当信息中出现连“0”码时定时提取困难的缺点，而且HDB3码频谱能量主要集中在基波频率以下，占用频带较窄，是ITU-TG.703推荐的PCM基群、二次群和三次群的数字传输接口码型,因此HDB3码的编解码就显得极为重要了[1]。目前，HDB3码主要由专用集成电路及相应匹配的外围中小规模集成芯片来实现，但集成程度不高，特别是位同步提取非常复杂，不易实现。随着可编程器件的发展，这一难题得到了很好地解决。

本文利用现代EDA设计方法学和VHDL语言及模块化的设计方法，设计了适合于FPGA实现的HDB3编译码器的硬件实现方案。不但克服了分立硬件电路带来的抗干扰差和不易调整等缺陷，而且具有软件开发周期短，成本低，执行速度高，实时性强，升级方便等特点。

2 HDB3编解码原理

要了解HDB3码的编码规则，首先要知道AMI码的构成规则，AMI码就是把单极性脉冲序列中相邻的“1”码(即正脉冲)变为极性交替的正、负脉冲。将“0”码保持不变，把“1”码变为+1、-1交替的脉冲。如：
NRZ码：1  0  0  0  0  1  0  0  0  0  1  1  0  0  0  0  1  1
AMI码：-1  0  0  0  0 +1  0  0  0  0  -1 +1  0  0  0  0  -1 +1
HDB3码是一种AMI码的改进型，它的编码原理可简述为，在消息的二进制代码序列中：

(1)当连“0”码的个数不大于3时，HDB3编码规律与AMI码相同，即“1”码变为“+1”、“-1”交替脉冲；

(2)当代码序列中出现4个连“0”码或超过4个连“0”码时，把连“0”段按4个“0”分节，即“0000”，并使第4个“0”码变为“1”码，用V脉冲表示。这样可以消除长连“0”现象。为了便于识别V脉冲，使V脉冲极性与前一个“1”脉冲极性相同。这样就破坏了AMI码极性交替的规律，所以V脉冲为破坏脉冲，把V脉冲和前3个连“0”称为破坏节“000V”；

(3)为了使脉冲序列仍不含直流分量，则必须使相邻的破坏点V脉冲极性交替；

(4)为了保证前面两条件成立，必须使相邻的破坏点之间有奇数个“1”码。如果原序列中破坏点之间的“1”码为偶数，则必须补为奇数，即将破坏节中的第一个“0”码变为“1”，用B脉冲表示。这时破坏节变为“B00V”形式。B脉冲极性与前一“1”脉冲极性相反，而B脉冲极性和V脉冲极性相同。

如：
NRZ码：1  0  0  0  0  1  0  0  0  0  1  1  0  0  0  0  1  1

AMI码：-1  0  0  0  0 +1  0  0  0  0 -1  +1  0  0  0  0  -1 +1

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

虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。从上述原理看出:每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性(包括B在内)。这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连0码，再将所有-1变成+1后便得到原消息代码[2]。

3 编解码器设计

3.1 编码器设计

由于VHDL不能处理负电平，只能面向“1”、“0”两种状态，所以要对它的输出进行编码，如表1所示。编码的实现是根据HDB3编码原理把二进制码编码成两路单极性的码字输出，之后经过单双变换模块形成HDB3码。在编码过程中，要经过连0检测、破坏节判断、破坏节间“1”的个数判断、调整“1”的符号输出等步骤，编码部分可分为4个模块，编码流程如图1所示[3]。


                           
图1  编码流程图

在进行HDB3编码器的设计时，需注意以下两个问题：

(1) 考虑将某些“0”改为“1”
     
用一个四位移位寄存器来对输入的序列进行检测，当检测到4个连“0”时，将其第四个“0”改为“1”。再设置一个T触发器来检测两个相邻的破坏节之间“1”的个数，若T触发器为“0”则说明两个相邻的破坏节之间“1”的个数为偶数，需要将第2个破坏节的第一个“0”置“1”，若T触发器为“1”，则说明两个相邻的破坏节之间“1”的个数为奇数，第2个破坏节的第一个“0”不变。

(2) 正、负号的考虑

除了破坏节的V即“1”的符号与它前面最近的“1”的符号相同外，其他的“1”的符号都是正、负交替的。所以再设置一个T触发器，当它检测到“1”时就使DATA1翻转。当然，这样就不可避免地使破坏节的V的符号也出现翻转，为了防止它的翻转，用一个三位移位寄存器来跟踪V码，以保证V码的符号不变(与它前面最近的“1”的符号相同)。

本文在程序的实体中定义了2个输入端口：时钟、伪随机序列，一个两位的输出数据(编码后的输出)。程序的结构体中使用的是进程语句，共采用4个进程，分别完成判断4连“0”位置并插入V、记相邻V码间1个数、跟踪V码位置及编码输出的功能。敏感信号均选用的是时钟信号，对于其任一变化都将同时启动4个进程，并行执行。在程序中共使用了5个信号，代表了电路的寄存器效果，配置到电路中也相当于寄存器。

3.2 解码器设计

解码设计是根据HDB3码的特点首先检测出极性破坏点，即找出4连零码中添加V码的位置(破坏点位置)，其次去掉添加的V码，最后去掉4连零码中添加的B码以将其还原成单极性不归零码。

由HDB3码的编码规则可知，“0000”都被“000+1”或“000-1”或“+100+1”或“-100-1”取代，所以，只要能检测出“+1000+1”、“-1000-1”、 “+100+1”、“-100-1”、将它们分别改为“10000” 、“10000”、“0000”、“0000”就可以了。
当然“+1”、“-1”、“0”还是由Data1，Data0来表示，那么就需要有两个5位移位寄存器(C和D)，Data0通过D，Data1通过C。通过D，C来检测，如果测到两个移位寄存器分别为“10001”、“0xxx0”或“10001”、“1xxx1”或“1001x”、“1xx1x”或“1001x”、“0xx0x”，数据输出是将D里面的数据流输出。所以只要将D中所测到的以上数据分别改为“10000”、“10000”、“0000x”、“0000x”，这样就可以得到HDB3码的解码了。

4 仿真和实验结果分析

编译码器在QuartusII上仿真的波形分别如图2和图3所示。图2中fen_clk为分频后时钟信号，load 为使能信号，Q为伪随机序列，data为编码输出。由于输入的数据流经过了5个寄存器，所以输出延迟了4个时钟脉冲周期。但由于时钟频率很高，所以影响不大。



图2  编码器时序仿真波形图



图3  解码器仿真波形
把上述设计下载到Altera EP1C3T144C8芯片上，并通过硬件调试、测试，在示波器上得到伪随机信号波形、编码波形和解码波形分别如图4和5所示。其中，CH1为伪随机信号，CH2分别为编码和解码信号。测试结果和时序仿真结果无失真。随机信号输入相对编码信号输出延迟了5个单位时钟。解码信号延时了11个单位时钟。



图2  编码器时序仿真波形图



图5 伪随机信号和解码信号波形

5 结论

实践表明,运用FPGA来实现NRZ码到HDB3码的转换与采用专用集成电路CD22103相比，不仅给调试带来了方便,而且可以把编码电路和解码电路及其它电路集成在同一块FPGA芯片中,减少了外接元件,提高了集成度。该设计已成功应用于网络化集中照明控制系统中。