1、摘 要伴随着集成电路技术的发展，电子设计自动化(EDA)逐渐成为重要的设计手段，已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。EDA的一个重要特征就是使用硬件描述语言(VHDL)来完成设计文件。诞生于1982年的VHDL语言是经IEEE确认的标准硬件描述语言，在电子设计领域受到了广泛的接受。数字基带信号的要求主要有两点，第一是对各种代码的要求，期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型；第二则是对所选的码型的波形的要求，期望波形适宜于在信道中传输。HDB3编码是数字基带信号传输中常用的传输码型，因其具有无直流成分，低频成分少和连零位数目最多不超过三个等明显的优点，对时钟信号的恢复十分有利而成为普
2、遍使用的基带传输码之一。本设计是在Quartus II开发环境下采用VHDL语言的，设计HDB3编码器和译码器。根据编码规则将译码器分为三个部分：插V模块、插B模块、单极性变双极性模块。根据译码规则，译码器只包含一个模块。最后，对每个模块进行仿真，实现相应功能后再进行整体仿真。关键词 HDB3 VHDL 编码 译码IAbstractThe Electronic Design Automation (EDA) technology has become an important design method of analog and digital circuit system growing.
3、 One important characteristic of the EDA As is the integrated circuit one of the standard description languages validated by IEEE， which was firstly introduced in 1982. And it was widely used by electronic designer now.The requirements of digital baseband signals are two points, The first is the req
4、uirement of various code, expected the preparation of the original information symbols used to pattern in a form suitable for transmission; The second is the requirements of the pattern of the selected waveform, expected waveform suitable for transmission in the channel.The HDB3 coding scheme is com
5、monly used in digital baseband transmission .The HDB3 code ，which has features of zero DC bias via alternating positive-negative voltage level bit by bit and no more than three continuous-zero bits ， deduces the power dissipation and makes the receiving device easy to recover the clock in the transm
6、itted code stream .so my major content of graduated design is designing based on the HDB3 volume/decoder of VHDL language， the requirement that it will reach is the basic skill that can realize HDB3 volume/decoder function in software can， and can coordinate entire design， make sure it reach the req
7、uirement that anticipated. This design in Quartus II development environment uses VHDL language to design HDB3 encoder and decoder. According to the encoding rules, there are three parts in decoder: insert the module V, insert the module B, the unipolar variable bipolar module.According to the decod
8、ing rules, decoder contains only one module. Finally, the simulation of each module, it achieve the corresponding function and then achieve the whole simulation.Key words VHDL HDB3 Encoding Decoding38目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究目的和意义11.2 基带传输码型简介21.2.1 AMI码21.2.2 数字双相码21.2.3 NRZ码31.3 VHDL语言简介31.3.
9、1 VHDL定义31.3.2 功能和特征41.3.3 应用优点41.4 Quartus简介41.4.1 Quartus II的产生与发展41.5 本设计的研究内容6第2章 HDB3码的编/译码的规则72.1 HDB3码简介72.1.1 HDB3码定义72.1.2 HDB3码特点72.2 HDB3码编解码器的国内外发展情况82.3 HDB3码的应用92.3.1 HDB3码测井电缆遥传系统中的应用92.3.2 HDB3码高速长距离通信92.3.3 HDB3码在基带数据传输中的应用102.4 HDB3码的编码规则102.5 HDB3码的译码规则102.6 本章小结11第3章 HDB3码编码器的建模与
10、实现123.1 插V模块的建模与实现123.1.1 设计思路123.1.2 程序设计133.1.3仿真结果143.2 插B模块的建模与实现153.2.1设计思路163.2.2程序设计173.2.3仿真结果193.3单极性变双极性的建模与实现203.3.1设计思路203.3.2程序设计213.3.3仿真波形223.4编码器的仿真233.5本章小结24第4章 HDB3译码器设计264.1 设计思路264.2程序设计274.3译码器的仿真274.4本章小结28结 论30致 谢31参考文献32附录133附录237CONTENTSAbstract（Chinese）IAbstractIIChapter 1
11、 Introduction11.1 The Purpose And Significance Of The Research11.2 The Introduction Of Baseband And Transmission Code21.2.1 AMI Code21.2.2 Digital Phase Code21.2.3 NRZ Code31.3 VHDL Introduction31.3.1 VHDL defined31.3.2 Functions and features41.3.3 Application Advantages41.4 QUARTUS Introduction41.4
12、.1 Production And Development Of Quartus41.5 The Content Of The Design6Chapter 2 The Rules Of HDB3 Code Encoding/Decoding72.1 Introduction Of The HDB3 Code72.1.1 HDB3 Code Definition72.1.2 HDB3 Code Features72.2 HDB3 Code Codec Development At home And Abroad82.3 Applications Of The HDB3 Code92.3.1 A
13、pplications of HDB3 Code Logging Cable Telemetry System92.3.2 HDB3 Code High-speed Long Distance Communications92.3.3 Applications Of HDB3 Code In The Base-band Transmission102.4 Encoding Rules Of HDB3 Code102.5 Decoding Rules Of Hdb3 Code102.6 Chapter Summary11Chapter 3 The modeling And Implementat
14、ion Of HDB3 Encoder123.1 Inserted Modeling And Implementation Of the Module V123.1.1 The Design Ideas123.1.2 The Programming133.1.3 The Simulation Results143.2 Inserted Modeling And Implementation Of The Module B153.2.1 Design Ideas163.2.2 Programming173.2.3 Simulation Results193.3 Into a Bipolar Un
15、ipolar Modeling And Implementation203.3.1 The Design Ideas203.3.2 The Programming213.3.3 The Simulation Results223.4 Encoder Simulation233.5 Chapter Summary24Chapter 4 The design of HDB3 Decoder264.1 The Design Concept264.2 The Programming274.3 Decoder Simulation274.4 Chapter Summary28Conclusions30A
16、cknowledgements31References32Appendix 133Appendix 237第1章 绪论数字通信的主要特点：抗干扰能力强，尤其是数字信号通过中继再生后可消除噪声积累；数字信号通过差错控制编码，可提高通信的可靠性；由于数字通信传输一般采用二进制码，所以可使用计算机对数字信号进行处理，实现复杂的远距离大规模自动控制系统和自动数据处理系统，实现以计算机为中心的通信网；在数字通信中，各种消息(模拟的和离散的)都可变成统一的数字信号进行传输；在系统中对数字信号传输情况的监视信号、控制信号及业务信号都可采用数字信号1。数字传输和数字交换技术结合起来组成的ISDN对于来自不同信
17、源的信号自动地进行变换、综合、传输处理、存储和分离，实现各种综合业务；数字信号易于加密处理，所以数字通信保密性强。数字通信的缺点是比模拟信号占带宽，然而，由于毫米波和光纤通信的出现，带宽已不成问题。目前，信道编码被广泛地应用于数字通信，图像处理系统中，成为数据传输中不可缺少的部分。HDB3(High Density Bipolar)码是AMI码的改进型，具有无直流分量，少低频分量，易于提取位同步信号并具有内在的检错能力等优点，成为广泛应用于基带传输系统中的码型，ITU2T G.703规定:2Mb/s，8Mb/s和34Mb/s的数字接口均采用HDB3码，因此设计一个稳定的HDB3码的编译码器就显
18、得很有价值2。市场上虽有专用的CD22103A芯片，但是该芯片只具有编译码功能，在使用时需另配位同步提取和电压极性转换电路，不利于系统的集成。在本论文中，我用VHDL语言进行了对HDB3码的编码和译码。1.1 研究目的和意义随着科学技术的不断发展，数字通信在日常生活中到处可见，在数字通信中编解码器的应用更是很广泛。编解码器经常用在视频会议和流媒体等应用中，通常主要还是用在广电行业，作前端应用。编解码器是在同一装置中，由工作于相反传输方向的编码器和解码器构成的组合体。大多数编解码器是有损的，目的是为了得到更大的压缩比和更小的文件大小。而HDB3码因具有无直流成分，低频成分和连0个数最多不超过三个
19、等明显优点，对定时信号的回复十分有利，而成为普遍使用的基带传输码之一3。与其他硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。文中结合HDB3的编码规则，给出了一种使用VHDL语言实现HDB3编码的思路和方法。1.2 基带传输码型简介作为传输用的基带信号归纳起来有如下要求：第一，希望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型；第二，对所选码型的电波形，希望它适宜于在信道中传输。可进行基带传输的码型较多，本节主要介绍几种常用的码型。1.2.1 AMI码AMI码称为
20、传号交替反转码。HDB3码就是有它改进而成的。AMI码的编码规则为代码中的0仍为传输码0，而把代码中的1交替的变换为传输码的+1-1+1-1，1。二进制数0以零电平表示，数1交替地用正负极性电平表示。接收端极性规律遭到破坏时便判为出现误码，因此AMI码具有自检错能力。在常规状态下，同步信息用数字锁相环便可很容易地提取出来，但如果在数据流中连续出现多个0，则同步信息难以提取，在系统同步工作以前部分数据将会丢失，故AMI码有以下特点：1无直流成分且低频成分很小，因而在信道传输中不易造成信号失真。2编码电路简单，便于观察误码状况。3由于它可以出现长的连0串，因而不利于接收端的定时信号的提取。1.2.
21、2 数字双相码在本文中很好的利用了双相码解决了设计时遇到的Quartus II仿真软件中不能出现“-1”的这个问题，接下来我将介绍数字双相码。数字双相码的编码规则是：用分别持续半个码元周期的正负电平组合表示信码“1”；用分别持续半个码元周期的负正电平组合表示信码“0”。双相码要求每一位中都要有一个电平转换。因而这种代码的最大优点是自定时，同时双相码也有检测错误的功能，如果某一位中间缺少了电平翻转，则被认为是违例代码。曼彻斯特码（Manchester Code）是一种双相码。我们用高电平到低电平的转换边表示“0”，而用低电平到高电平的转换边表示“1”，位中间的电平转换边既表示了数据代码，也作为定
22、时信号使用曼彻斯特编码用在以太网中。差分曼彻斯特码，这种编码也是一种双相码，和曼彻斯特编码不同的是，这种编码的码元中间的电平转换边只作为定时信号，而不表示数据。数据的表示在于每一位开始处是否有电平转换：有电平转换表示0，无电平转换表示1，差分曼彻斯特编码用在令牌环网中。由曼彻斯特和差分曼彻斯特码这两种双相码的每一个码元都要调制为两个不同的电平，因而调制速率是码元速率的两倍。这无疑对信道的带宽提出了更高的要求，所以实现起来更困难也更昂贵，但由于其良好的抗噪声特性和自定时能力，所以在局域网中仍被广泛使用。1.2.3 NRZ码本文主要讨论的就是怎样将NRZ码变成HDB3码。故以下将介绍NRZ码。数字
23、通信的根本任务是远距离、准确地传输数字信息。在数字通信终端设备中，传输不同的信息速率，选择何种线路传输码型，对数字线路的传输质量、适合性和经济性就显得十分重要。NRZ码(non-return to zero)，即单极性不归零码，是数字基带信息常用的码型。不归零码的规律是当“1”出现时电平翻转，当0出现时电平不翻转。因而数据“1”和“0”的区别不是高低电平，而是电平是否转换这种代码也叫差分码，用在终端到调制解调器的接口中。这种编码的特点是实现起来简单而且费用低，但不是自定时的。NRZ码缺点很多:含有直流成分，低频成分较大；接收时的判决门限为接收电平的一半，门限不稳定，判决容易出错；不便直接从接收
24、码序列中提取同步信号。基于以上缺点，NRZ码不适合用于进行信道传输2。1.3 VHDL语言简介1.3.1 VHDL定义VHDL（VHSIC Hardware Description Language）是一个详细且庞大的硬件描述语言。它在20世纪80年代后期由美国国防部开发，并成功地应用在软硬件系统的仿真、验证和设计综合等领域，对于实际自动化的发展起到了极大的促进和推动作用。VHDL语言在硬件设计领域的作用将与C和C+在软件设计领域的作用一样，在大规模数字系统设计中，它将逐步取代如逻辑状态表和逻辑电路等级别较低的繁琐的硬件描述方法，而成为主要的硬件描述语言。VHDL和可编程逻辑器件的结合作为一种
25、强有力的设计方式，将设计者的产品上市带来创记录的速度。1.3.2 功能和特征1.VHDL语言是芯片供应商和CAD工具用户的交流媒介。2.VHDL语言可以作为不同CAD工具和CAE工具的通信媒介。3.VHDL语言支持层次设计。4.VHDL支持灵活的设计方法。5.VHDL支持同步和异步时序模型。6.VHDL语言支持三种不同的基本描述风格：结构、数据流和行为。1.3.3 应用优点应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的。(1)与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电
26、子系统的重要保证。(2)VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。(3)VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必须有多人甚至多个开发组共同并行工作才能实现。(4)对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。(5)VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计4。1.4 Quartus简介1
27、.4.1 Quartus II的产生与发展Quartus 软件包是MAX+plus的升级版本，Altera公司的第四代开发软件。它在一个单一、标准的设计环境里提供一整套综合、优化及验证工具，其功能十分强大。Quartus 提供了方便的设计输入方式、快速的编译和直接易懂的器件编程。能够支持逻辑门数在百万门以上的逻辑器件的开发，并且为第三方工具提供了无缝接口。Quartus II软件和MAX + PLUS II相比较更加可靠，用户界面更加友好，特别是在仿真，节点发现和引脚分配等方面，而且它图形激励生成器比第三方的仿真工具更快、更有效，转换设计非常简单，在很短的时间内，就可以适用到目标器件中。Qua
28、rtus II软件不但支持MAX和FLEX、ACEX系列产品，还支持新的MAXII系列以及最新的Cyclone、Stratix和Stratix II系列的FPGA。比MAX + PLUS II提供更好的平均性能表现。对给定的MAX设计，平均设计性能快15% ，所需器件资源平均少5%；一体化RTL综合不仅支持AHDL，还支持最新的VHDL和Verilog语言标准。Quartus II集成开发软件适合多种平台的工作环境，其中包括PC机的Microsoft Windows XP。它支持更多种类的可编辑逻辑器件的开发，同时也提供在可编程系统设计的综合性环境恶化基本设计工具。另外，Quartus II集
29、成开发软件也可以利用第三方软件的结果并支持第三方软件的工作。为加快应用系统的开发，Quartus II集成开发软件提供更多的知识产权模块。知识产权模块（IP）是一些预先设计好的电路功能模块，在设计中实验这些模块不仅可以加快设计进程，而且还可以提高系统性能。Quartus II集成开发软件的核心是模块化的编译器。编译器包括的功能模块有分析/综合器（Analysis & Synthesis）、适配器（Fitter）、装配器（Assembler）、时序分析器（Timing Analyzer）、设计辅助模块（Design Assistant）以及EDA网表文件生成器（EDA Netlist Write
30、r）等。Quartus II集成开发软件允许用户在开发过程中使用Quartus II图形用户界面、EDA工具界面和命令行界面。用户可以在整个开发过程中使用这些界面的任意一个，也可以在开发工程中的不同步骤使用不同的界面5。1.4.2 Quartus II功能概论作为一种电子设计自动化（EDA）的工具，Quartus II可编辑逻辑器件的集成开发软件支持可编辑逻辑器件开发的全过程。这个过程包括一下步骤：创建工程，工程用来组织整个可编辑逻辑器件的开发的过程；设计输入，用硬件描述语言通过文本编辑的方法完成电路设计；设计编译，把设计输入转换为支持可编程逻辑器件编程的文件格式；设计仿真，该步骤用来检查设计
31、是否满足逻辑要求；器件编程，使用可编程逻辑具有所要求的逻辑功能。1.5 本设计的研究内容VHDL（超高速硬件描述语言）是一标准化的硬件描述语言。采用VHDL设计的电路通常可以在单个可编程芯片上实现，并且设计过程与传统方式相比极为方便快捷。使用VHDL进行电子系统设计，可以使用自顶向下的模块化设计方法，设计成果标准化，可移植性好6。采用VHDL语言在Quartus仿真软件中实现HDB3的编码方法，大大节省了电路版图。本设计给出了一种使用可编程逻辑电路实现的HDB3编码，可广泛使用于数字基带信号的传输，也可用于数字光端机集成电路的G.703接口。由于使用VHDL设计电路具有设计周期短，易于修改，节省费用等优点，现在已经被广大的通信设备研究人员所采用。基于上述情况，本文提出了基于VHDL的HDB3码编译码的设计方案。基于VHDL语言，分别设计HDB3码的编码器模块和译码器模块，其中编码器包括插V模块、插B模块、单极性变双极性模块。最后实现编码器和译码器的功能仿真。第2章 HDB3码的编/译码的规则2.1 HDB3码简介数字信号的传输方式有两种
