數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，降低功耗和成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，提出一種采用非常高速積體電路的硬件描述語言(VHDL語言)來設(shè)計(jì)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的方法。詳細(xì)闡述數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中信號(hào)碼型的設(shè)計(jì)原則，數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中信號(hào)編碼原理和譯碼原理；采用硬件描述語言來設(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號(hào)編碼器和譯碼器并進(jìn)行仿真；采用原理圖設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)并仿真；整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在Quar-tusⅡ平臺(tái)上完成，并在Altera公司的ACEX1K-EP1K30TC144-1芯片上實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：數(shù)字通信；基帶傳輸系統(tǒng)；VHDL；FPGA

0 引言
    現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，數(shù)字通信系統(tǒng)所占的比例越來越大，系統(tǒng)的數(shù)字化、集成化是未來發(fā)展的方向。隨著超大規(guī)模集成電路的誕生，各種數(shù)字通信的專用芯片也相繼問世，電路的集成化程度越來越高，設(shè)備的體積也越來越小，但是這些數(shù)字通信的專用芯片在價(jià)格上非常昂貴，給通信設(shè)備成本帶來很大壓力。近幾年，F(xiàn)PGA(Field Programmable Gate Array)的推出，給數(shù)字通信電路的設(shè)計(jì)帶來了更多的方便，擺脫了數(shù)字通信專用芯片功能單一、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。目前實(shí)際的數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)字基帶系統(tǒng)在應(yīng)用上雖不如數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)廣泛，但仍有相當(dāng)多的應(yīng)用范圍。因此，本文設(shè)計(jì)的方案采用FPGA來實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)。

1 數(shù)字基帶信號(hào)編、譯碼原理
    數(shù)字信號(hào)的傳輸方式有兩種：一種是基帶傳輸，另一種是頻帶傳輸。在基帶傳輸系統(tǒng)中，因?yàn)樾诺劳嬖诟糁绷麟娙莼蝰詈献儔浩鳎沟没鶐盘?hào)中的低頻和直流成分難于通過。因此，并非所有原始基帶數(shù)字信號(hào)都能在信道中傳輸。為了在傳輸信道中獲得優(yōu)良的傳輸特性，一般要將信號(hào)變換成適合于信道傳輸特性的傳輸碼(又叫線路碼)，即進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇a型變換。
    通常，在設(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號(hào)碼型時(shí)應(yīng)考慮以下原則：
    (1)碼型中低頻、高頻分量盡量少；
    (2)碼型中應(yīng)包含定時(shí)信息，以便定時(shí)提?。?br />     (3)碼型變換設(shè)備要簡單可靠；
    (4)碼型具有一定檢錯(cuò)能力，若傳輸碼型有一定的規(guī)律性，就可根據(jù)這一規(guī)律性來檢測傳輸質(zhì)量，以便做到自動(dòng)檢測；
    (5)編碼方案對發(fā)送消息類型不應(yīng)有任何限制，適合于所有的二進(jìn)制信號(hào)，這種與信源統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)的特性稱為對信源具有透明性；
    (6)低誤碼增殖，誤碼增殖是指單個(gè)數(shù)字傳輸錯(cuò)誤在接收端解碼時(shí)，造成錯(cuò)誤碼元的平均個(gè)數(shù)增加，從傳輸質(zhì)量要求出發(fā)，希望它越小越好；
    (7)高的編碼效率。
    以上幾點(diǎn)并不是任何基帶傳輸碼型均能完全滿足的，常常是根據(jù)實(shí)際要求滿足其中的一部分。
    數(shù)字基帶信號(hào)碼型種類繁多，其中HDB3碼(High Density Bipolar)，即三階高密度雙極性碼，具有不含直流成分，低頻成分少，提取同步時(shí)鐘方便，有內(nèi)在檢錯(cuò)能力等優(yōu)點(diǎn)，成為廣泛應(yīng)用于基帶傳輸系統(tǒng)中的碼型。ITU-T G．703規(guī)定2 Mb／s，8 Mb／s和34 Mb／s的數(shù)字接口均采用HDB3碼，因此以HDB3碼為例進(jìn)行分析。
    HDB3碼又稱四連“0”取代碼，它是AMI(Alternative Mark Inverse，傳號(hào)交替反轉(zhuǎn))碼的改進(jìn)型。在AMI碼中，如果連續(xù)的較長的一段序列為“0”碼，則接收端會(huì)因?yàn)殚L時(shí)間無交替變化波形的控制而失去同步信號(hào)，而HDB3碼克服了AMI碼的上述缺點(diǎn)。此外，HDB3碼還具有頻譜能量主要集中在基波頻率以下，占用頻帶較窄等特點(diǎn)。
1．1 編碼原理
    在消息的二進(jìn)制代碼序列中：
    (1)當(dāng)連“0”碼的個(gè)數(shù)不大于3時(shí)，編碼規(guī)則為“1”碼變?yōu)?ldquo;+1”、“-1”交替脈沖，“0”碼仍為“0”。
    (2)當(dāng)代碼序列中出現(xiàn)4個(gè)連“0”碼或超過4個(gè)連“0”碼時(shí)，把連“0”段按4個(gè)“0”分節(jié)，即“0000'’，并使第4個(gè)“0”碼變?yōu)?ldquo;1”碼，用V脈沖表示，這樣可以消除長連“0”現(xiàn)象。為了便于識(shí)別V脈沖，使V脈沖極性與前一個(gè)“1”脈沖極性相同，這樣就破壞了AMI碼極性交替的規(guī)律，所以V脈沖為破壞脈沖，把V脈沖和前3個(gè)連“0”稱為破壞節(jié)“000V”。
    (3)為了使脈沖序列仍不含直流分量，則必須使相鄰的破壞點(diǎn)V脈沖極性交替。
    (4)為了保證(2)，(3)兩個(gè)條件的成立，必須使相鄰的破壞點(diǎn)之間有奇數(shù)個(gè)“1”碼。如果原序列中破壞點(diǎn)之間的“1”碼為偶數(shù)個(gè)，則必須補(bǔ)為奇數(shù)，即將破壞節(jié)中的第一個(gè)“0”碼變?yōu)?ldquo;1”，用B脈沖表示，這時(shí)的破壞節(jié)變?yōu)?ldquo;B00V”形式。B脈沖極性與前一個(gè)“1”脈沖極性相反，而B脈沖極性與V脈沖極性相同。
1．2 譯碼原理
    雖然編碼規(guī)則比較復(fù)雜，但是它的譯碼原理卻比較簡單。從上述編碼原理看出，每一個(gè)破壞符號(hào)V總是與前一非0符號(hào)同極性(包括B在內(nèi))。這就是說，在接收端譯碼時(shí)，由兩個(gè)相鄰的同極性碼找到破壞脈沖V，同極性碼中后面那個(gè)碼就是V碼。由V碼向前的第三個(gè)碼如果不是0碼，表明它是B碼，把V碼和B碼去掉后留下的都是信碼，再進(jìn)行全波整流，將所有的-1變成+1后就得到原消息代碼。

2 編、譯碼模塊的設(shè)計(jì)與仿真
    編、譯碼模塊的設(shè)計(jì)是在QuartusⅡ軟件開發(fā)平臺(tái)上，采用VHDL語言來實(shí)現(xiàn)的。
2．1 編碼模塊的設(shè)計(jì)
    編碼模塊的方框圖如圖1所示。

    四連“0”檢測及補(bǔ)“1”電路  根據(jù)編碼規(guī)則，當(dāng)輸入的信號(hào)遇到四連“0”碼的時(shí)候，四連“0”碼將由取代節(jié)“B00V”或者“000V”取代。因此，首先要檢測出哪些是四連“0”碼，哪些是非四連“0”碼。在檢測出四連“0”碼后，還要將破壞脈沖V加入在第四個(gè)0的位置上。
    取代節(jié)選擇電路  當(dāng)需要用取代節(jié)代替四連“0”碼時(shí)，應(yīng)判斷采用哪一種取代節(jié)，即選擇四連“0”碼中第一個(gè)0碼變?yōu)锽碼，還是變?yōu)?碼。如果傳號(hào)數(shù)為奇數(shù)，采用“000V”取代；如果傳號(hào)數(shù)為偶數(shù)，則采用“B00V”取代。
    破壞點(diǎn)形成電路  將補(bǔ)放的“1”碼變成破壞點(diǎn)，使后續(xù)的V碼與前面相鄰的“1”碼極性相同，破壞了交替反轉(zhuǎn)的規(guī)律，形成了破壞點(diǎn)。
    單—雙極性變換電路  HDB3碼極性形成電路有兩個(gè)功能：一是正常傳號(hào)“B”正負(fù)交替極性的形成；二是破壞點(diǎn)“V”脈沖的正負(fù)交替極性的形成，并輸出HDB3碼。
2．2 譯碼模塊的設(shè)計(jì)
    譯碼模塊的方框圖如圖2所示。

    破壞點(diǎn)檢測電路  即找V碼，在s消息的二進(jìn)制代碼中，若找出相鄰兩個(gè)同極性的碼元，則可以確定后一個(gè)碼元必為V碼。
    取代節(jié)去除電路  在V碼出現(xiàn)時(shí)刻將信碼流中的V碼及其前面的第三位碼置為“0”，即去掉取代節(jié)。
    雙—單極性變換電路  進(jìn)行全波整流，將“+1”和“-1”還原為1。變換后的碼元即為原信息碼。
2．3 編碼模塊的仿真
    根據(jù)圖1所示的編碼模塊方框圖在QuartusⅡ平臺(tái)上用VHDL語言編程，編譯通過后可進(jìn)行仿真。
     當(dāng)輸入信碼為全“0”碼時(shí)，編碼結(jié)果為0-100-1+100+1-100-1+100+1……的序列，如圖3所示。圖中clock為時(shí)鐘信號(hào)，data_in為輸入信碼，data_out為編碼后的結(jié)果。data_out為00，表示“0”電平；data_out為01(十進(jìn)制數(shù)字為1)，表示“+1”電平；data_out為11(十進(jìn)制數(shù)字為3)，表示“-1”電平。

    當(dāng)輸入信碼為11111000001111100000……時(shí)，編碼結(jié)果為-1+1-1+1-1000-10+1-1+1-1+1000+1……的序列，如圖4所示。
    由圖3，圖4可知，編碼結(jié)果完全正確。
2．4 譯碼模塊的仿真
    根據(jù)圖2所示，譯碼模塊方框圖在QuartusⅡ平臺(tái)上用VHDL語言編程，經(jīng)編譯后可進(jìn)行仿真。為了將譯碼結(jié)果與原始信號(hào)進(jìn)行比較，將圖3，圖4的編碼結(jié)果作為譯碼器的輸入信號(hào)進(jìn)行譯碼，將譯碼結(jié)果與以上的原始信號(hào)進(jìn)行比較。
    當(dāng)輸入的HDB3碼為0-100-1+100+1-100-1+100+1-100-1+100+1……譯碼結(jié)果為全“0”碼，如圖5所示。圖中clock為時(shí)鐘信號(hào)，data_in為輸入HDB3碼，data_out為輸出的信碼。data_in為00，表示“0”電平；data_in為01，表示“+1”電平；data_in為11，表示“-1”電平。
    將譯碼結(jié)果與編碼前的原始信號(hào)做比較，可看出兩者是一致的。

    讓輸入信號(hào)data_in為31313000301313100010……，譯碼的結(jié)果為11111000001111100000……，如圖6所示。
    將譯碼結(jié)果與編碼前的原始信號(hào)做比較，可看出兩者仍是一致的。

3 數(shù)字基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真
3．1 數(shù)字基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    HDB3編譯碼數(shù)字基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在QuartusⅡ平臺(tái)上，采用原理圖的方式來實(shí)現(xiàn)的。首先，分別創(chuàng)建HDB3編碼模塊和譯碼模塊符號(hào)文件；然后新建基帶系統(tǒng)頂層文件；再在頂層文件中分別調(diào)入HDB3編碼模塊和譯碼模塊符號(hào)文件；按要求連線后，即得到HDB3編譯碼數(shù)字基帶系統(tǒng)電路。
3．2 數(shù)字基帶系統(tǒng)的仿真
    將以上原理圖進(jìn)行編譯后，即可進(jìn)行仿真。使輸入信碼為10110001000011000000111000001011，系統(tǒng)傳輸結(jié)果如圖7所示。圖中，clock為時(shí)鐘信號(hào)，data_in為輸入信碼，hdb3_code為系統(tǒng)傳輸用的HDB3碼，da_ta_out為輸出信碼。由圖可知，系統(tǒng)的輸出與輸入完全一致。

3．3 數(shù)字基帶系統(tǒng)的調(diào)試
    當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)通過程序仿真后，將程序下載到ACEX1K-EP1K30TC144-1芯片，從而完成整個(gè)數(shù)字基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。調(diào)試時(shí)把發(fā)送部分與接收部分連接起來進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，檢測各測試點(diǎn)信號(hào)是否正確，在調(diào)試中，硬軟件要結(jié)合起來。由于芯片可以高度集成,問題一般出現(xiàn)在軟件上，故在調(diào)試中軟件參數(shù)的更改是最重要的。

4 結(jié)語
    采用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)，包括編碼器的設(shè)計(jì)與仿真、譯碼器的設(shè)計(jì)與仿真以及整個(gè)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。最后，在Altera公司的ACEX1K-EP1K30TC144-1芯片上加以實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，有效性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，其優(yōu)點(diǎn)還體現(xiàn)在設(shè)計(jì)者不受芯片結(jié)構(gòu)的影響，避免了重復(fù)設(shè)計(jì)，縮短了開發(fā)周期；設(shè)計(jì)的模塊化，提高了軟硬件的組合度，使設(shè)計(jì)成果可以重復(fù)利用；在選擇實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)器件的類型、規(guī)模、硬件結(jié)構(gòu)等方面，具有更大的自由度；總的設(shè)計(jì)方案和功能結(jié)構(gòu)被確定后，就可以進(jìn)行多人多任務(wù)的并行工作方式，擴(kuò)大了設(shè)計(jì)規(guī)模，提高了設(shè)計(jì)效率。