数字基带传输系统的FPGA设计与实现

摘要：为了提高系统的集成度和可靠性，降低功耗和成本，增强系统的灵活性，提出一种采用非常高速积体电路的硬件描述语言(VHDL语言)来设计数字基带传输系统的方法。详细阐述数字基带传输系统中信号码型的设计原则，数字基带传输系统中信号编码原理和译码原理；采用硬件描述语言来设计数字基带信号编码器和译码器并进行仿真；采用原理图设计方法设计数字基带传输系统并仿真；整个系统的设计在Quar-tusⅡ平台上完成，并在Altera公司的ACEX1K-EP1K30TC144-1芯片上实现。
关键词：数字通信；基带传输系统；VHDL；FPGA

0 引言
    现代通信系统中，数字通信系统所占的比例越来越大，系统的数字化、集成化是未来发展的方向。随着超大规模集成电路的诞生，各种数字通信的专用芯片也相继问世，电路的集成化程度越来越高，设备的体积也越来越小，但是这些数字通信的专用芯片在价格上非常昂贵，给通信设备成本带来很大压力。近几年，FPGA(Field Programmable Gate Array)的推出，给数字通信电路的设计带来了更多的方便，摆脱了数字通信专用芯片功能单一、价格昂贵的缺点。目前实际的数字通信系统中，数字基带系统在应用上虽不如数字频带传输系统广泛，但仍有相当多的应用范围。因此，本文设计的方案采用FPGA来实现数字基带传输系统。

1 数字基带信号编、译码原理
    数字信号的传输方式有两种：一种是基带传输，另一种是频带传输。在基带传输系统中，因为信道往往存在隔直流电容或耦合变压器，使得基带信号中的低频和直流成分难于通过。因此，并非所有原始基带数字信号都能在信道中传输。为了在传输信道中获得优良的传输特性，一般要将信号变换成适合于信道传输特性的传输码(又叫线路码)，即进行适当的码型变换。
    通常，在设计数字基带信号码型时应考虑以下原则：
    (1)码型中低频、高频分量尽量少；
    (2)码型中应包含定时信息，以便定时提取；
    (3)码型变换设备要简单可靠；
    (4)码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动检测；
    (5)编码方案对发送消息类型不应有任何限制，适合于所有的二进制信号，这种与信源统计特性无关的特性称为对信源具有透明性；
    (6)低误码增殖，误码增殖是指单个数字传输错误在接收端解码时，造成错误码元的平均个数增加，从传输质量要求出发，希望它越小越好；
    (7)高的编码效率。
    以上几点并不是任何基带传输码型均能完全满足的，常常是根据实际要求满足其中的一部分。
    数字基带信号码型种类繁多，其中HDB3码(High Density Bipolar)，即三阶高密度双极性码，具有不含直流成分，低频成分少，提取同步时钟方便，有内在检错能力等优点，成为广泛应用于基带传输系统中的码型。ITU-T G．703规定2 Mb／s，8 Mb／s和34 Mb／s的数字接口均采用HDB3码，因此以HDB3码为例进行分析。
    HDB3码又称四连“0”取代码，它是AMI(Alternative Mark Inverse，传号交替反转)码的改进型。在AMI码中，如果连续的较长的一段序列为“0”码，则接收端会因为长时间无交替变化波形的控制而失去同步信号，而HDB3码克服了AMI码的上述缺点。此外，HDB3码还具有频谱能量主要集中在基波频率以下，占用频带较窄等特点。
1．1 编码原理
    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，编码规则为“1”码变为“+1”、“-1”交替脉冲，“0”码仍为“0”。
    (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(2)，(3)两个条件的成立，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”码为偶数个，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，这时的破坏节变为“B00V”形式。B脉冲极性与前一个“1”脉冲极性相反，而B脉冲极性与V脉冲极性相同。
1．2 译码原理
    虽然编码规则比较复杂，但是它的译码原理却比较简单。从上述编码原理看出，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，在接收端译码时，由两个相邻的同极性码找到破坏脉冲V，同极性码中后面那个码就是V码。由V码向前的第三个码如果不是0码，表明它是B码，把V码和B码去掉后留下的都是信码，再进行全波整流，将所有的-1变成+1后就得到原消息代码。

2 编、译码模块的设计与仿真
    编、译码模块的设计是在QuartusⅡ软件开发平台上，采用VHDL语言来实现的。
2．1 编码模块的设计
    编码模块的方框图如图1所示。

    四连“0”检测及补“1”电路  根据编码规则，当输入的信号遇到四连“0”码的时候，四连“0”码将由取代节“B00V”或者“000V”取代。因此，首先要检测出哪些是四连“0”码，哪些是非四连“0”码。在检测出四连“0”码后，还要将破坏脉冲V加入在第四个0的位置上。
    取代节选择电路  当需要用取代节代替四连“0”码时，应判断采用哪一种取代节，即选择四连“0”码中第一个0码变为B码，还是变为0码。如果传号数为奇数，采用“000V”取代；如果传号数为偶数，则采用“B00V”取代。
    破坏点形成电路  将补放的“1”码变成破坏点，使后续的V码与前面相邻的“1”码极性相同，破坏了交替反转的规律，形成了破坏点。
    单—双极性变换电路  HDB3码极性形成电路有两个功能：一是正常传号“B”正负交替极性的形成；二是破坏点“V”脉冲的正负交替极性的形成，并输出HDB3码。
2．2 译码模块的设计
    译码模块的方框图如图2所示。

    破坏点检测电路  即找V码，在s消息的二进制代码中，若找出相邻两个同极性的码元，则可以确定后一个码元必为V码。
    取代节去除电路  在V码出现时刻将信码流中的V码及其前面的第三位码置为“0”，即去掉取代节。
    双—单极性变换电路  进行全波整流，将“+1”和“-1”还原为1。变换后的码元即为原信息码。
2．3 编码模块的仿真
    根据图1所示的编码模块方框图在QuartusⅡ平台上用VHDL语言编程，编译通过后可进行仿真。
     当输入信码为全“0”码时，编码结果为0-100-1+100+1-100-1+100+1……的序列，如图3所示。图中clock为时钟信号，data_in为输入信码，data_out为编码后的结果。data_out为00，表示“0”电平；data_out为01(十进制数字为1)，表示“+1”电平；data_out为11(十进制数字为3)，表示“-1”电平。

    当输入信码为11111000001111100000……时，编码结果为-1+1-1+1-1000-10+1-1+1-1+1000+1……的序列，如图4所示。
    由图3，图4可知，编码结果完全正确。
2．4 译码模块的仿真
    根据图2所示，译码模块方框图在QuartusⅡ平台上用VHDL语言编程，经编译后可进行仿真。为了将译码结果与原始信号进行比较，将图3，图4的编码结果作为译码器的输入信号进行译码，将译码结果与以上的原始信号进行比较。
    当输入的HDB3码为0-100-1+100+1-100-1+100+1-100-1+100+1……译码结果为全“0”码，如图5所示。图中clock为时钟信号，data_in为输入HDB3码，data_out为输出的信码。data_in为00，表示“0”电平；data_in为01，表示“+1”电平；data_in为11，表示“-1”电平。
    将译码结果与编码前的原始信号做比较，可看出两者是一致的。

    让输入信号data_in为31313000301313100010……，译码的结果为11111000001111100000……，如图6所示。
    将译码结果与编码前的原始信号做比较，可看出两者仍是一致的。

3 数字基带系统设计与仿真
3．1 数字基带系统的设计
    HDB3编译码数字基带系统的设计是在QuartusⅡ平台上，采用原理图的方式来实现的。首先，分别创建HDB3编码模块和译码模块符号文件；然后新建基带系统顶层文件；再在顶层文件中分别调入HDB3编码模块和译码模块符号文件；按要求连线后，即得到HDB3编译码数字基带系统电路。
3．2 数字基带系统的仿真
    将以上原理图进行编译后，即可进行仿真。使输入信码为10110001000011000000111000001011，系统传输结果如图7所示。图中，clock为时钟信号，data_in为输入信码，hdb3_code为系统传输用的HDB3码，da_ta_out为输出信码。由图可知，系统的输出与输入完全一致。

3．3 数字基带系统的调试
    当整个系统通过程序仿真后，将程序下载到ACEX1K-EP1K30TC144-1芯片，从而完成整个数字基带系统的设计。调试时把发送部分与接收部分连接起来进行系统调试，检测各测试点信号是否正确，在调试中，硬软件要结合起来。由于芯片可以高度集成,问题一般出现在软件上，故在调试中软件参数的更改是最重要的。

4 结语
    采用FPGA技术实现数字基带传输系统，包括编码器的设计与仿真、译码器的设计与仿真以及整个数字基带传输系统的设计与仿真。最后，在Altera公司的ACEX1K-EP1K30TC144-1芯片上加以实现。整个系统具有结构简单，性能稳定，有效性好，可靠性高等优点。除此之外，其优点还体现在设计者不受芯片结构的影响，避免了重复设计，缩短了开发周期；设计的模块化，提高了软硬件的组合度，使设计成果可以重复利用；在选择实现系统目标器件的类型、规模、硬件结构等方面，具有更大的自由度；总的设计方案和功能结构被确定后，就可以进行多人多任务的并行工作方式，扩大了设计规模，提高了设计效率。