基于VHDL的HDB3編碼器設(shè)計

HDB3碼具有無直流成分、低頻成分少和連續(xù)0最多不超過3個等明顯的優(yōu)點，對信號的恢復十分有利，而成為CCITT協(xié)會推薦使用的基帶傳輸碼型之一。因此，針對HDB3編碼器的優(yōu)化設(shè)計具有重要的意義。在本文中，利用VHDL硬件描述語言設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的HDB3編碼器，在Quart usⅡ中對設(shè)計的HDB3碼的功能、特性進行了分析。并在EP2C5T144C6中對設(shè)計進行了實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的HDB3碼達到了編碼器功能要求。

1 HDB3碼編碼原理及實現(xiàn)

HDB3碼是AMI碼的改進碼型，輸入碼組中如果出現(xiàn)4位連續(xù)位0，就用特定碼組來替代，稱為三階高密度雙極性碼。它克服了AMI碼的長0串現(xiàn)象。HDB3編碼的主要特點為：基帶信號無直流成分，且有很小的低頻成分；0串符號最多只有3個具有檢錯能力，如果接收端信號1電平的交替規(guī)律被破壞，認為出現(xiàn)了差錯；利于定時信息的提??；不受信源統(tǒng)計特性的影響。因此，HD83編碼被廣泛運用于脈沖編碼調(diào)制的線路傳輸碼型。在對代碼編碼的時候，先不對輸入的代碼進行極性變換，而是先檢測是否插入“V”，再檢測插“B”，這樣做就使得輸入進來的信號和插“V”、插“B”功能電路中處理的信號都是單極性信號，且需要的寄存器的個數(shù)很少。當然，在檢測插入“V”較為簡單，只需設(shè)計一個計數(shù)器記下連續(xù)0的個數(shù)，出現(xiàn)4個連0時即可將第4個0用二元碼表示。而在插“B”時，首先把信號寄存在寄存器里，同時設(shè)計一個計數(shù)器計下兩個“V”符號之間0的個數(shù)，再由一個判偶電路來給寄存器發(fā)送是否插“B”的判決信號，決定是否插入“B”，從而實現(xiàn)插“B”功能。至此，代碼全部都由雙相碼表示。最后，極性變換可以將原來的“1”碼和插入的“B”合在一起做極性變換，將插入的“V”單獨做極性變換，這樣就完成了HDB3碼的編碼。它的編碼模型如圖1所示。

要識別編碼中的“1”，“V”和“B”。在編碼中最終的表現(xiàn)形式還是邏輯電平“1”。解決的方法是利用雙相碼，將其用二進制表示。雙相碼的編碼規(guī)則是：對每個二進制代碼分別利用兩個具有兩個不相同相位的二進制碼去取代。如：用10表示1，用00表示0等。

2 基于VHDL硬件描述語言的HDB3碼編碼器建模及程序設(shè)計

在設(shè)計中，根據(jù)HDB3編碼器的結(jié)構(gòu)模型和VHDL語言程序設(shè)計的特點，采用進程語句和元件例化語句實現(xiàn)HDB3碼編碼器的設(shè)計。其中，在采用進程語句實現(xiàn)的設(shè)計中，主要是一個結(jié)構(gòu)體中包括4個進程，分別是序列發(fā)生器、插入“V”、插入“B”和極性變換。而在該方法中，又分別使用了二進制三位碼元和二進制二位碼元來對HDB3碼進行編碼。在元件例化語句中，主要分為5個文件，分別是序列發(fā)生器、插入“V”、插入“B”、極性變換以及頂層文件，各進程之間通過信號傳遞編碼值，在編碼中也將采用2位二進制來編碼。

2．1 四進程三位編碼的HDB3編碼器程序設(shè)計

在該方法中，將用VHDL語言的四進程語句描述方式來實現(xiàn)HDB3碼編碼器，分為4個進程。首先設(shè)計一個序列發(fā)生器，產(chǎn)生輸入序列，作為HDB3碼編碼器的輸入。利用3位二進制代碼對插入的V，B進行編碼，用000表示0碼、010表示-1、110表示1、011表示-V，111表示+V、101表示+B、001表示-B。在插V和插B結(jié)束后，輸出代碼均變?yōu)橛?位二進制編碼的序列。然后要將3位二進制代碼進行極性變換，輸出2位的二進制編碼序列，分別表示+1，-1，0。

2．1．1 輸入序列發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)

首先，設(shè)計一個計數(shù)器，用來對產(chǎn)生序列的位數(shù)進行控制。設(shè)計中，利用5位計數(shù)器“cnt”，其可以控制產(chǎn)生47位的輸入序列用以供后續(xù)的編碼器的仿真分析使用，產(chǎn)生的序列為：100001000011000000001。要求，序列發(fā)生器和HDB3碼編碼器均在同步時鐘脈沖上升沿的作用下工作，保證產(chǎn)生一個代碼就能迅速的輸入編碼器進行編碼。

2．1．2 對輸入序列做插“V”的設(shè)計與實現(xiàn)

在插“V”符號時，首先要判斷輸入的信號是1碼還是0碼，若輸入的是0碼，則接著判斷輸入的是第幾個0碼，如果是第4個0碼，則把這個0碼變換成V碼，否則，保持原碼輸出。在程序中將用兩個信號flag0和flag1來標識V和非0碼的極性，并且flag0和flag1的初始值均為0。再設(shè)計一個計數(shù)器記錄下連0的個數(shù)，用以判斷是否插入“V”。若flag0和flag1均為0，則說明前-“V”或“非0碼”極性為負，此時的“非0碼”或“V”極性為正，用110代替。
對于輸入序列的檢測，如果第一個4連0之前有“1”碼，則第一個“1”碼的極性就由flag0的初值來確定，后邊的“1”碼也隨之確定，第一個V的極性也由前面的“-1”碼的極性確定，V碼的極性是自行交替，則后面的V碼極性也隨之確定；如果輸入的序列第一個4連0前面沒有“1”碼，則第一個V碼的極性由它的標識信號firstv的初始值(程序中賦初值為0)確定。后邊的“1”碼和“V”碼的極性均由第一個V的極性確定。最后，插“V”后的輸出均為3位碼。

2．1．3 插入“B”的設(shè)計與實現(xiàn)

在該部分將借助4位的移位寄存器來實現(xiàn)，使用元件例化語句D觸發(fā)器組成4位移位寄存器。根據(jù)HDB3碼的編碼原理，首先將插“V”后的代碼放入寄存器里，在同步時鐘的作用下同時進行是否補“B”的判斷，等碼元從寄存器出來的時候，若需要補“B”，則把+B或-B的標識碼直接賦值給移位寄存器的第4位；若不需要補“B”，則直接把移位寄存器的第3位送第4位照原碼輸出。

在設(shè)計中，用10標識+1，用01標識-1，用00標識0。其中codeinout是用來觀察序列發(fā)生器產(chǎn)生的二進制碼序列，codeout為HDB3碼的編碼輸出。波形仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可見，輸出的編碼序列和編碼規(guī)則一致，說明設(shè)計正確。

2．2 HDB3極性變換

在極性變換中，將使用四選一模擬開關(guān)實現(xiàn)+1，0，-1的波形輸出。實現(xiàn)真正意義的HDB3碼的輸出，這里選用的是數(shù)字芯片CD4052來實現(xiàn)。

在單雙極性變換設(shè)計與實現(xiàn)部分，要實現(xiàn)將3位的編碼轉(zhuǎn)換為2位的編碼，也就是將前面的+1，-1，+V，-V，+B，-B，0轉(zhuǎn)換成用兩位來標識，這樣才能通過CD4052的兩個輸入端進行不同的組合，從而選通不同的通道，實現(xiàn)HDB3碼的+1，-1，0三種電平的輸出。而轉(zhuǎn)換的方法和編碼時確定的極性是一致的，分別用10，01，00來標識+1，-1，0。在數(shù)字示波器下觀測到的波形如圖3所示。


2．3 結(jié)構(gòu)化HDB3碼編碼器設(shè)計

在該設(shè)計中，將使用元件例化語句來實現(xiàn)HDB3碼編碼器。底層文件主要分為序列發(fā)生器、插“V”模塊、插“B”模塊、單雙極性變換模塊，加上頂層文件共5個模塊。在該設(shè)計中，用11標識+1，01標識-1，用00標識0。其中codeinout是用來觀察序列發(fā)生器產(chǎn)生的二進制代碼序列，做為HDB3碼編碼器的輸入序列，codeout為HDB3碼的編碼輸出。該設(shè)計運用VHDL硬件描述語言的元件例化語句來實現(xiàn)HDB3碼編碼器的設(shè)計，共一個頂層文件和4個底層文件。在編碼中，選用2位二進制對HDB3碼編碼的插“V”和插“B”以及輸出進行編碼，且用的均為非歸零碼來表示。對元件例化語句二位編碼的設(shè)計進行波形仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可見，輸出的編碼序列和編碼規(guī)則一致，說明設(shè)計正確。

3 HDB3碼編碼在FPGA中實現(xiàn)的特性分析

選用cycloneⅡ系列EP2C5T144C6器件，利用QuartusⅡ7．2對兩種不同設(shè)計的HDB3編碼器進行了分析。分析的主要內(nèi)容包括：邏輯單元的占用、寄存器的占用、工作速度及功耗等的比較。仿真之后，主要選擇了兩組結(jié)果進行比較。分析結(jié)果如表1所示。從仿真結(jié)果可以看出，在結(jié)構(gòu)化設(shè)計中，編碼器總邏輯元件、專用寄存器使用與四進程設(shè)計相比各減少了18．5％，14．8％，表明結(jié)構(gòu)化設(shè)計有利于減少器件資源的使用。


4 結(jié)語

根據(jù)實驗和系統(tǒng)分析的結(jié)果，在FPGA中，利用VHDL語言設(shè)計HDB3編碼器是可行的。尤其是結(jié)合VHDL語言程序設(shè)計的特點，利用不同的設(shè)計方式，可實現(xiàn)對HDB3編碼器的優(yōu)化設(shè)計。通過比較，在結(jié)構(gòu)化設(shè)計中，編碼器總邏輯元件、專用寄存器使用與四進程設(shè)計相比各減少了18．5％，14．8％。因此，結(jié)構(gòu)化設(shè)計有利于減少器件資源的使用。