利用FPGA實現(xiàn)HDB3編解碼功能

摘要：HDB3(三階高密度雙極性)碼具有無直流分量、低頻成分少、連零個數(shù)不超過3個、便于提取時鐘信號等特點。通過對HDB3編解碼原理進行分析和研究，提出一種基于FPGA的HDB3編解碼實現(xiàn)方法，給出Verilog HDL語言的實現(xiàn)方法和仿真波形，完成硬件電路的設計和測試，采用該方法設計的HDB3編解碼器已應用于相關實驗設備中。
關鍵詞：HDB3編碼；HDB3解碼；FPGA；Verilog HDL

1 引言
    數(shù)字通信系統(tǒng)的某些應用可對基帶信號不載波調制而直接傳輸，其中傳輸線路對碼型的要求如下：信碼中不宜有直流分量，低頻分量應盡可能的少，碼型要便于時鐘信號提取。根據(jù)這些要求，ITU-T(國際電聯(lián))在G．703建議中規(guī)定，對于2 MHz、8 MHz、32 MHz速率的數(shù)字接口均采用HDB3(三階高密度雙極性)碼。HDB3碼具有無直流分量，低頻成分少，連零個數(shù)不超過3個等特點，便于時鐘信號的提取和恢復，適合在信道中直接傳輸。這里利用Verilog HDL語言設計用于數(shù)字通信系統(tǒng)中的HDB3編解碼器。

2 HDB3編碼模塊設計
    要設計一個實用的編碼模塊，首先要深入研究其編碼規(guī)則及其特點，然后根據(jù)編碼規(guī)則設計符合電路特性的編碼流程。HDB3碼的編碼規(guī)則包括：①將消息代碼變換成AMI碼，AMI碼的編碼規(guī)則是對碼流中的非“0”符號進行正負交替；②檢查AMI碼中的連零情況，當連零的個數(shù)小于4個時，保持AMI的形式不變；當連零的個數(shù)達到4個或超過4個時，則將非零碼后的第4個“0”替換成V碼，其中V碼的極性與前一非零碼(+1或-1)的極性保持一致，例如，前面的非零碼是+1，則將V碼記為+V；③完成插V操作后，檢查2個相鄰V碼之間非零碼的個數(shù)是否為偶數(shù)，若為偶數(shù)，則再將相鄰2個V碼中后一個V碼的前一非零碼后的第一個“0”變?yōu)锽碼，B碼的極性與前一非“0”碼的極性相反，同時B碼后面的非“0”碼極性再次進行交替變換，保證極性交替反轉特性。
    編碼規(guī)則中出現(xiàn)的V碼、B碼只是作為標識符，最終的電路實現(xiàn)還是“0”和“1”這兩種邏輯電平，因此需要采用二進制編碼對“1”、“0”、V、B進行編碼，“00”表示“0”、“0l”表示“1”，“10”表示B，“11”表示V。根據(jù)編碼規(guī)則和利用FPGA實現(xiàn)的特點，將編碼過程：首先插入V碼，然后插入B碼，最后是單雙極性變換。如果按照編碼規(guī)則的順序設汁．應該首先進行單雙極性變換，在完成插V和插B后，還需根據(jù)編碼規(guī)則變換當前B碼之后的非零碼的極性，這需要大量的寄存器來保存當前數(shù)據(jù)的狀態(tài)，導致電路非常復雜，占用大量的FPGA內部邏輯單元，實現(xiàn)難度大，且成本高。HDB3編碼過程示意圖如圖l所示。

2．1 插入V碼過程
    插入V碼過程是對消息代碼里的連零串進行檢測，一旦出現(xiàn)4個連零串的時候，就把第4個“O”替換成破壞符V，其他情況下消息代碼原樣輸出。輸入的代碼經插V操作后全部轉換成雙相碼，即“0”變換成“00”，“1”變換成“01”，V變換成“l(fā)l”。圖2是插入V碼過程的流程，代碼輸入到插V模塊后，如果輸入是“l(fā)”，則輸出為“01”，同時計數(shù)器清零；如果輸入是“O”．則對輸入“O”的個數(shù)進行計數(shù)，當計數(shù)器計數(shù)到第4個“O”時，輸出“11”作為V碼，同時計數(shù)器要清零用于下一輪檢測；計數(shù)器未滿4個“0”，則輸出“00”。

2．2 插入B碼過程
    當相鄰兩個V碼之間有偶數(shù)個非“0”碼時．則把后一個V碼之前的第1個非“0”碼后面的“0”碼變換成B碼。該模塊設計的難點在于插入B碼的過程中涉及一個由現(xiàn)在事件的狀態(tài)控制過去事件狀態(tài)的問題，按照實時信號處理的理論，這是無法實現(xiàn)的，這里使用兩組4位移位寄存器。采用4位移位寄存器是根據(jù)HDB3編碼規(guī)則的特點確定，經插V后，連零串中的第4個“0”變成V碼，代碼中連零個數(shù)最多是3個，而插入B碼操作是把在后一個V碼之前的第1個非零碼之后的“O”變換成B碼，這個長度不超過3個“0”，因此只需4位寄存器就可通過判斷現(xiàn)在的輸入狀態(tài)來決定是否應插入B碼。圖3是判斷是否插入B碼的流程．2組4位移位寄存器在時鐘的作用下逐位將數(shù)據(jù)移出，在移位的同時還需對寄存器的最低位進行操作，即判斷是否需插入B碼。這部分功能的實現(xiàn)需設置一個檢測當前V碼狀態(tài)的標志位firstv。

2．3 單雙極性變換過程
    分析HDB3碼的編碼規(guī)則，發(fā)現(xiàn)V碼的極性是正負交替的，余下的“1”和B碼的極性也是正負交替的，且V碼的極性與V碼之前的非零碼極性一致。因此可以將所有的“1”和B碼取出來做正負交替變換，而V碼的極性則根據(jù)“V碼的極性與V碼之前的非零碼極性一致”這一特點進行正負交替變換。具體操作是設置一個標志位flag，通過檢測判斷標志位的狀態(tài)來確定是否進行單雙極性變換，標志位要交替變換以實現(xiàn)“l(fā)”和“B”正負交替，V碼的極性也根據(jù)標志位變換。圖4是單雙極性變換過程的流程，“10”表示輸出正電平，“Ol”表示輸出負電平，“00”表示輸出為零電平。

3 HDB3解碼模塊設計
    根據(jù)編碼規(guī)則，V碼是為了解決4連零現(xiàn)象而插入的，而B碼總是出現(xiàn)在V碼之前，且只相隔2個“0”，因此只要在接收到的信號中找到V碼并將其和前面的3位代碼全部復原成“0”即可完成解碼過程。
3．1 HDB3解碼模塊建模
    首先外圍電路從HDB3碼中提取出時鐘、正整流信號和負整流信號，將這3路信號送到FPGA中，解碼模塊所用的時鐘是從HDB3碼中提取出來的時鐘。從正整流信號和負整流信號中可以檢測出2路包含V碼的信號，將2路V碼合成一路信號，然后對該路信號進行解碼，最后將雙相碼變成單相碼，圖5是解碼過程的流程。

3．1．1 V碼檢測過程
    V碼檢測同時進行正V碼檢測和負V碼檢測，這兩個檢測模塊的設計思想類似，這里對正V碼檢測模塊進行詳細說明。為了方便描述，假設從正整流電路輸入的信號為+P，從負整流電路輸入的信號為-N。+V碼檢測模塊是在-N的控制下，對輸入的+P進行檢測。其原理是：當+P的上升沿到來時，對輸入的+P脈沖進行計數(shù)，當計數(shù)到1時，輸出一個脈沖作為+V脈沖，同時計數(shù)器清零，在計數(shù)期間，一旦檢測到-N信號脈沖，計數(shù)器立即清零，計數(shù)器重新從零計數(shù)。這是因為在兩個+P脈沖之間，存在-N脈沖，說明第2個+P脈沖不是+V碼，只有在連續(xù)兩個+P脈沖之間無-N脈沖，才能說明這兩個P脈沖在HDB3碼中是真正同極性的，才可以判斷第2個P脈沖實際上是+V碼，達到檢測+V碼的目的。-V碼檢測原理與+V碼檢測類似，所不同的是，-V碼檢測電路是在+P控制下，對-N信號進行計數(shù)、檢測和判定。
3．1．2 V碼和B碼解碼過程
    檢測V碼后，根據(jù)HDB3編碼規(guī)則，只需將V碼及之前3位碼全部置零就可同時完成扣V／扣B操作。這又會涉及到一個由現(xiàn)在事件狀態(tài)決定過去事件狀態(tài)的情況，仍可采用兩組4位移位寄存器解決。根據(jù)編碼規(guī)則，V碼是取代連“0”串中的第4個“0”，而B碼總是出現(xiàn)在V碼之前，且只相隔兩個“O”，當輸入是V碼后，只需同時將4位移位寄存器置零，即可同時完成V碼和B碼的解碼過程?？鄢齎碼和B碼后，還需將雙相碼變換成單相碼，即當輸入是“00”時輸出“0”，輸入是“01”時輸出“l(fā)”，至此便完成了HDB3解碼。
3．2 HDB3解碼的Verilog HDL實現(xiàn)
    以下利用硬件描述語言實現(xiàn)解碼功能，這里只給出正V碼檢測模塊和扣V碼／扣B碼模塊的關鍵程序。

4 仿真分析
    設計的編解碼模塊是誤碼檢測儀的組成部分，采用Cy-clone系列FPGA(EPlC3T144C8)實現(xiàn)電路的核心功能，該器件擁有近3 000個邏輯單元，可滿足整個系統(tǒng)設計的要求。
4．1 HDB3編碼模塊仿真分析
    對該HDB3編碼模塊進行仿真驗證，圖6是仿真波形圖，仿真時鐘頻率為32 MHz，Codein表示待編碼的輸入信號，輸入的二進制代碼為：101011000001100001；VBcodeout是插入V碼和B碼后的輸出，觀察波形發(fā)現(xiàn)，在A和B位置插入“11”作為V碼，在C位置插入B碼：Codeout是單雙極性變換后波形，“10”表示正電平，“01”表示負電平．從波形可看出實現(xiàn)了正負交替；Pos_rzhdb3out和Neg_rzhdb3out是最終的歸零碼輸出。該HDB3編碼模塊正確實現(xiàn)編碼功能。
4．2 HDB3解碼模塊仿真分析
    采用一個偽隨機序列發(fā)生器產生測試數(shù)據(jù)，仿真時鐘頻率為32 MHz。將HDB3編碼模塊和解碼模塊相連接，觀察輸入和輸出波形。

    圖7是仿真波形，其中msequence9是一個周期為511的偽隨機序列碼，在A時刻產生第1個高電平；將該碼輸入到HDB3編碼模塊，完成編碼后輸入到解碼模塊中進行解碼，decodeout是解碼后的輸出，從B時刻開始輸出解碼后的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)其波形與輸入數(shù)據(jù)完全相同，因此解碼模塊實現(xiàn)了HDB3解碼功能。

5 結論
    所設計的HDB3編解碼模塊簡單實用，利用FPGA實現(xiàn)HDB3編解碼功能具有很強的靈活性，可以集成到不同的通信系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)設計的速度。這里所涉及的仿真均為帶有時序信息的仿真，仿真時鐘頻率設為32 MHz，該頻率是HDB3碼應用的最高頻率。目前該編解碼模塊已成功應用于誤碼檢測儀中，性能穩(wěn)定可靠。