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1、昆 明 学 院 2013 届毕业论文（设计）论文（设计）题目 基于FPGA的HDB3码的编码器 与译码器设计（软件设计） 子课题题目 姓 名 周艳 学 号 201004090147 所属院系 自动控制与机械工程学院 专业年级 2010级通信技术1班 指导教师 任杰 2013年 5月摘 要HDB3码是基带传输码型之一，因为它具有无直流分量、低频分量少、连0数不超过3个这些特点，所以有利于信号的恢复和检验，所以HDB3码被广泛应用到井下电缆遥传系统以及高速长距离书记通信中等。FPGA具有成本低、可靠性高、开发周期短、可重复编程等特点。利用EDA技术，可对其实现硬件设计软件化，加速了数字系统设计的效
2、率，降低了设计成本。本文先对HDB3码，FPGA器件和EDA技术的发展背景进行简述。接着阐述EDA技术中常用的VHDL语言的发展与优点，并以VHDL为核心，简要说明硬件电路的设计的方法步骤。然后介绍HDB3码的编译码原理以及其特点。最后，对HDB3码的编译原理进行重点分析，并且以VHDL语言为主，分别对编码器部分和译码器部分的具体实现方法进行说明，给出具体设计的思考方案和程序流程图，并对设计方案进行软件仿真，同时给出仿真结果并对其进行分析，证明设计方案的正确性。关键词：HDB3码；FPGA；EDA;VHDL;编译码Abstract HDB3 code is one of codes used
3、in the transmission system. It has no DC components and a few of LF components. Moreover, it has continuous zeros no more than three. The features of HDB3 code help the signal to be rebuilt and be checked for error easily, so HDB3 code is the commonly used code in the transmission system. Low cost,
4、dependability, short design cycle and repeated program ability are the features of FPGA. You can design hardware of digital circuits by using software as a result of using FPGA with EDA. It will construct the digital system quickly system quickly and reduce the cost of design. This paper first intro
5、duces the development and background of HDB3.FPGA and EDA, and then expands VHDL. which is commonly used as design-entry language for EDA.A summary of digital circuits design by using VHDL is provided. Moreover, the principle and decoder is designed by using VHDL. Finally, the plan of design, the fl
6、ow of software design and the simulated waveform of HDB3 encoder and decoder is presented, showing correctness of the design.Keywords: HDB3 code; FPGA ; EDA ; VHDL; Encoder and Decoder目录第一章 概述11.1 HDB3码的简述11.2 FPGA简介21.2.1 FPGA的发展历程21.2.2 FPGA基本结构及其特点31.3 EDA技术41.4 VHDL硬件描述语言41.4.1 简介41.4.2 VHDL具有的特
7、点51.4.3 VHDL的优点71.4.4 VHDL设计硬件电路的方法7第二章 HDB3码的编译规则102.1主要的基带传输码型102.1.1 NRZ码的编码规则102.1.2 AMI码的编码规则102.2 HDB3码的编码规则112.3 HDB3码的译码规则122.4 HDB3码的检错能力12第三章 HDB3编码器的FPGA实现133.1 HDB3码编码器的实现分析133.2 HDB3码编码器的设计思路133.2.1 4连0的检出加V及判1极性133.2.2 取代节的选取133.3设计建模143.3.1插“V”码模块设计及仿真153.3.2插“B”码模块设计及仿真173.3.3 HDB3编码
8、器的极性转换模块设计及仿真20第四章 HDB3译码器的FPGA实现244.1 译码器的实现分析244.2 HDB3译码器的设计思路244.3 V的检测254.4 扣V扣B254.5 设计建模254.5.1扣V扣B的实现264.6 软件仿真26第五章 结论28参考文献29附录30谢辞38第一章 概述1.1 HDB3码的简述 HDB3（High Density Bipolar of order 3code）码的全称是三阶高密度双极性码，又称为四连“0”取代码，它是一种AMI码的改进，保持了AMI码的优点而克服其缺点。 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等明显优点，对定时信
9、号的恢复十分有利，而成为普遍使用的基带传输码型之一。在数字传输系统中，其传输对象通常是二元数字信息。一般使用有限的离散的波形来表示数字信息。这些离散波形可以是未经调制的不同电平信号，也可以是调制后的信号形式。由于未经调制的电平脉冲信号所占据的频带通常从直流和低频开始，因而成为数字基带信号。数字基带信号是数字信息的电脉冲表示，不同形式的数字基带信号（又称为码型）具有不同的频谱结构，合理地设计数字基带信号以使数字信息变换为适合给定信道传输特性的频谱结构，是基带传输首要考虑的问题。实际上，在数字设备内部用导线连接起来的各器件之间就是用一些最简单的数字基带信号来传送定时和信息的。当数字信号进行行距离传
10、输时，高频分量的衰减随距离的增大而增大，电缆中线对之间的电磁辐射也随着频率的增高而加剧，从而限制信号的传输距离和传输质量，同时信道中往往还存在隔直流电容和耦合变压器，他们不能传输直流分量及对低频分量有较大的衰减，因此对于一般信道高频和低频部分均是受限的。对于以上信道，要求所使用传输码型的频谱不含直流分量，并且低频分量和高频分量都很少。传输码型中应含有定时时钟信息，以利于接收端提取定时时钟，在基带传输系统中，定时信息是在接收端恢复原始信息所必需的。在一般传输系统中为了节省频带从而不传输定时信息，必须在接收端从相应的基带信号中加以提取。实际传输中希望能及时监视误码，如果传输码型有一定的规律性，那么
11、就可以根据这一规律性来检测传输的质量，以便做到自动监测，因此，传输码型应具有一定的误码检测能力。当然，对传输码型的选择还需要编码和译码设备尽量简单等要求，但以上的几点是最主要的额考虑因素。HDB3码又叫三阶高密度双极性码(High Density Bipolar)，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
12、了。1.2 FPGA简介1.2.1 FPGA的发展历程作为一种可编程逻辑器件，现场可编程门阵列（Filed Programmable Gate Array）的出现是可编程逻辑器件发展变化的必然，它的出现推动着可编程逻辑器件的进一步发展。因此说，了解了可编程逻辑器件的发展历程，也就了解了FPGA的发展历程。可编程逻辑器件是20世纪70年代发展起来的一种新型器件。它的应用不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统的可靠性，而且给数字系统的设计方式带来了革命性的变化。可编程逻辑器件的发展是以微电子制作技术的不断进步为基础的，其结构和工艺的变化经历了一个不断发展变革的过程。20世纪70年代，早期的可编
13、程逻辑器件只有可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和可电可擦除只读存储器（EEPROM）3种。随后，出现了一类结构稍微复杂的可编程芯片，即可编程逻辑阵列，(Programmable Logic Array，PLA)。PLA在结构上是由一个可编程的与阵列和可编程的或阵列构成，阵列规模小，编程过程复杂繁琐。PLA既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在这之后出现了可编程阵列逻辑PLA器件，它由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，是现场可编程的。它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术3种。在PLA的基础上，又发展出了一种通用阵列逻辑（Ge
14、neric Array Logic, GAL）,如果GAL16V8、GAL22V10等。它采用了输出逻辑宏单元结构和EEPROM工艺，因而其设计具有很强的灵活性，至今仍有很多应用。这些早期的PLD器件的一个共同的特点就是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但是由于其结构过于简单，因此只能用于实现较小规模的电路设计。为了填补这一缺陷，20世纪80年代中期，著名的可编程逻辑器件厂商Alter和Xilinx分别推出了扩展型的复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)和类似于标准门阵列的现场可编程门阵列FPGA。CPLD和FPGA的功能基本相同，只是
15、芯片内部原理和结构有些差别。这两种器件兼容了PAL和GAL器件的优点，可用于实现较大规模的电路设计，编程也很灵活，所以，被广泛应用于产品的原型设计和小批量生产之中。几乎所有使用PLA、GAL和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD和FPGA器件。如今，FPGA器件已成为当前主流的可编程逻辑器件之一，经过近20年的发展，可编程逻辑器件已经取得长足的进步，资源更加丰富，使用越来越方便。将来的可编程逻辑器件，密度会更高、速度会更快、功耗会更低，同时还会增加更多新的功能，向着集成了可编程逻辑、CPU、存储器等组件的可编程单片系统（System On Programmable Chip，SOPC）方向发展。1.2.2 FPGA基本结构及其特点基本结构：
