基于CD22103的AMI/HDB3編譯碼電路分析與實現(xiàn)

1 引言

現(xiàn)代通信借助于電和光來傳輸信息，數(shù)字終端產生的數(shù)字信息是以“1”和“0”2種代碼（狀態(tài)）位代表的隨機序列，他可以用不同形式的電信號表示，從而構造不同形式的數(shù)字信號。在一般的數(shù)字通信系統(tǒng)中首先將消息變?yōu)閿?shù)字基帶信號，稱為信源編碼，經過調制后進行傳輸，在接收端先進行解調恢復為基帶信號，再進行解碼轉換為消息。在實際的基帶傳輸系統(tǒng)中，并不是所有電波均能在信道中傳輸，因此有基帶信號的選擇問題，因此對碼型的設計和選擇需要符合一定的原則。當數(shù)字信號進行長距離傳輸時，高頻分量的衰減隨距離的增大而增大，電纜中線對之間的電磁輻射也隨著頻率的增高而加劇，從而限制信號的傳輸距離和傳輸質量，同時信道中往往還存在隔直流電容和耦合變壓器，他們不能傳輸直流分量及對低頻分量有較大的衰減，因此對于一般信道高頻和低頻部分均是受限的。對于這樣的信道，應使線路傳輸碼型的頻譜不含直流分量，并且只有很少的低頻分量和高頻分量。其次，傳輸碼型中應含有定時時鐘信息，以利于收端定時時鐘的提取，在基帶傳輸系統(tǒng)中，定時信息是在接收端再生原始信息所必需的。一般傳輸系統(tǒng)中，為了節(jié)省頻帶是不傳輸定時信息的，必須在接受端從相應的基帶信號中加以提取。再次，實際傳輸系統(tǒng)常希望在不中斷通信的前提下，能監(jiān)視誤碼，如果傳輸碼型有一定的規(guī)律性，那么就可以根據(jù)這一規(guī)律性來檢測傳輸質量，以便做到自動監(jiān)測，因此，傳輸碼型應具有一定的誤碼檢測能力。當然，對傳輸碼型的選擇還需要編碼和解碼設備盡量簡單等要求，但以上的幾點是最主要的考慮因素。

本文采用的傳輸碼型為ami碼和hdb3碼，由nrz碼經編碼電路得到。硬件實現(xiàn)電路基于專用集成芯片cd22103，他是一個lsi sos集成芯片，完成ami/hdb3編譯碼功能，應用于2.048mb/s和8.448mb/s傳輸中，支持ami/hdb3編碼，碼率范圍為50kb/s－10mb/s，并在某種程度上與ccittg703的推薦一致。hdb3發(fā)生編碼和接收譯碼在獨立的編碼器和譯碼器區(qū)段中進行，所有的發(fā)生器和接收器的輸入和輸出都與ttl兼容。

2 傳輸碼型

2.1 單極性非歸零（nrz）碼

nrz碼用高電平和低電平（一般為零電平）分別表示二進制信息“1”和“0”，在整個碼元期間電平保持不變。nrz碼的產生方法很簡單，但是由于信號中含有較多的直流分量和低頻分量，再加上nrz碼本身沒有檢錯和糾錯能力，不適合信道傳輸，因此，在基帶傳輸中，信號送入信道傳輸之前，通常對nrz碼進行碼型變換，使其轉換成適合信道傳輸?shù)拇a型。

2.2 傳號交替反轉（ami）碼

ami（alternate mark inversion）碼信碼“0”用0電平表示：信碼“1”交替用“＋1”和“－1”的歸零碼表示，因此，ami碼對應的波形是占空比為0.5的雙極性歸零碼，即脈沖寬度τ與碼元寬度（碼元周期、碼元間隔）ts的關系是τ＝0.5ts。ami碼無直流分量，低頻分量較小，能量集中在頻率為1/2由碼率左右處，因而他特別適宜在不允許這些成分通過的信道中傳輸，雖然在ami功率譜中無定時脈沖的頻率分量，但只要對基帶信號進行必要的非線性處理（如全波整流或平方），即可提取定時信號。ami碼的另一個優(yōu)點是具有一定的檢錯能力，因為信號是按交替規(guī)律進行傳輸，若收端的碼不符合這一規(guī)律，就可能出現(xiàn)錯碼；由于其具有上述優(yōu)點，因此得到了廣泛應用；

ami碼的主要缺點是他的一些性能和信源的統(tǒng)計特性有關。首先，他的功率譜形狀與信碼中“1”碼出現(xiàn)的概率有關；其次，當信碼中出現(xiàn)較長的連“0”時，由于ami碼長時間不出現(xiàn)電平跳變，使提取定時信息時較困難。

2.3 三階高密度雙極性（hdb3）碼

hdb3（high density binary－3）碼是ami碼的一種改進型，主要是為了克服ami碼中連“0”時所帶來的提取定時信息的困難。他的編碼原理為：首先將信碼變換為ami碼，然后檢查ami碼序列中連“0”的情況。當出現(xiàn)4個以上的連“0”時，將每4個連“0”小段中的第4個“0”位變成一個非0的破壞位v，其極性和前一個非“0”位同極性。這樣就破壞了“極性交替反轉”的規(guī)律?？梢栽诮邮斩撕芸彀l(fā)現(xiàn)破壞位，使原信碼得到恢復。但也破壞了ami碼無直流分量的優(yōu)點，為了保持無直流分量這一特點，還必須保證相鄰v碼也應極性交替。這一點在相鄰v碼之間有奇數(shù)個非“0”位時，可以得到保證；當有偶數(shù)個非“0”位時，就得不到保證，這時再將該小段第一個“0”位變換成＋b或－b，b的極性與前一個非“0”位相反，并讓后面的非“0”位從v位開始再交替變化。

雖然hdb3碼的編碼規(guī)則比較復雜，但譯碼卻比較容易，從上述原理看出，每一個破壞符號v總是與前一個非0符號同極性（包括b在內）。這就是說，從收到的符號序列中可以容易地找到破壞點v，于是也斷定v符號及其前面的3個符號必是連0符合，從而恢復4個連0碼，再將所有的－1變成＋1后便得到原消息代碼。

hdb3碼保持了ami碼的優(yōu)點，克服了ami碼在遇到連“0”長時難以提取定時信息的困難，因而獲得廣泛應用。ccitt已建議把hdb3碼作為pcm終端設備一次群到三次群的接口碼型。

2.4 nrz，ami，hdb3碼之間的對應關系

假設信息碼為0000 0110 0001 0000，對應的nrz碼、ami碼，hdb3碼如圖1所示。

分析表現(xiàn)，ami碼及hdb3碼的功率譜如圖2所示，他不含有離散譜fs成份（fs＝1/ts，等于位同步信號頻率）。在通信的終端需將他們譯碼為nrz碼才能送給數(shù)字終端機或數(shù)/模轉換電路。在做譯碼時必須提供位同步信號。工程上，一般將ami或hdb3碼數(shù)字信號進行整流處理，得到占空比為0.5的單極性歸零碼（rz|τ＝0.5ts）。這種信號的功率譜也在圖2中給出。由于整流后的ami，hdb3碼中含有離散譜fs，故可用一選頻網(wǎng)絡得到頻率為fs的正弦波，經整形、限幅、放大處理后即可得到位同步信號。

3 ami/hdb3碼編譯碼電路

3.1 電路分析

ami/hdb3碼的編譯碼原理框圖及電路原理圖分別如圖3，圖4所示。

該碼型變換電路采用專用集成芯片cd22103對ami/hdb3進行編譯碼，其第3腳接＋5v時為hdb3編譯碼器，接地時為ami編譯碼器。輸入的nrz信號通過編譯碼器輸出兩路并行信號＋hdb3－out和－h(huán)db3－out，他們都是半占空比的正脈沖信號，分別與ami/hdb3碼的正極性信號及負極性信號相對應，這兩路信號經單/雙極性變換后可得到hdb3碼。本電路中給出的兩種單/雙極性變換方法，一種是采用模擬開關cd4052，將兩路單極性信號作為控制信號輪流選通＋5v和－5v，輸出信號即為hdb3碼，這種方法得到的hdb3碼碼型規(guī)律，現(xiàn)象明顯，便于觀察，在教學實驗系統(tǒng)中通常被采用；另一種是采用變壓器耦合得到hdb3碼，這種方法提高了信號傳輸能力，在實際工程中被廣泛采用。

在對ami/hdb3碼進行譯碼之前，同樣也是將信號經雙/單極性變換得到相應的正極性信號和負極性信號再送譯碼芯片。這里對應上面的兩種方法，第一種采用對信號上拉電平，由于對信號上拉電平值的不同所對應的控制門限不同，可通過判決整流電路（74hc04）選出兩路極性信號，這兩路極性信號同樣也是半占空比的正脈沖信號；第二種經變壓器耦合后通過二極管半波整流便可達到雙/單極性變換的目的。

欲對hdb3信號譯碼得到nrz信號，必須從hdb3碼中提取位同步信號。由于hdb3碼本身不含有位同步頻率成分，故不能直接從hdb3碼中提取位同步信號。雙/單極性變換器及相加器構成一個整流器，hdb3碼經全波整流后得到的正脈沖信號hdb3－d中含有位同步信號頻率離散譜。

在cd22103中，全波整流的過程已經集成在芯片內部，芯片的第10管腳輸出便是hdb3－d信號，該信號通過選頻網(wǎng)絡（并聯(lián)諧振回路）二次選頻即可得到與位同步信號同頻率的正弦波信號，這里要注意的是選頻網(wǎng)絡的諧振頻率應與編碼時鐘頻率一致，正弦波信號經過判決、整形后可得到同頻率的方波信號，此方波信號作為譯碼器的時鐘信號輸入，和hdb3碼經單/雙變換得到的兩路單極性信號＋hdb3－in和－h(huán)db3－in分別送到cd22103的第5腳、第13腳和第11腳，即可得到譯碼輸出nrz信號。

3.2 芯片說明

本電路中采用的編譯碼芯片cd22103的引腳及內部框圖如圖5所示，引腳及功能說明如下。

pin1：nrz－in 編碼器nrz信號輸入端；

pin2：ctx 編碼時鐘（位同步信號）輸入端；

pin3：ami/hdb3 碼型選擇端：接ttl高電平時選擇hdb3碼；接ttl低電平時選擇ami碼；

pin4：nrz－out hdb3譯碼后信碼輸出端；

pin5：crx 譯碼時鐘（位同步信號）輸入端；

pin6：rais 告警指示信號（ais）檢測電路復位端，負脈沖有效；

pin7：ais ais信號輸出端：有ais信號時為高電平，無ais信號為低電平；

pin8：vss 接地端；

pin9：err 不符合hdb3/ami碼編碼規(guī)則的誤碼脈沖輸出端；

pin10：ckr hdb3碼的匯總輸出端；

pin11：－h(huán)db3－in hdb3譯碼器負碼輸入端；

pin12：ltf hdb3譯碼內部環(huán)回控制端，接高電平時為環(huán)回，接低電平時為正常；

pin13：＋hdb3－in hdb3譯碼器正碼輸入端；

pin14：－h(huán)db3－out hdb3編碼器負碼輸出端；

pin15：＋hdb3－out hdb3編碼器正碼輸出端；

pin16：vdd 接電源端（＋5v）。

cd22103主要由發(fā)送編碼和接收譯碼兩部分組成，工作速率為50kb/s－10mb/s。在發(fā)送部分，當ami/ hdb3端接高電平時，編碼電路在編碼時鐘ctx下降沿的作用下，將nrz碼編成hdb3碼（＋hdb3－out，－h(huán)db3－out兩路輸出）；接低電平時，編成ami碼。在接收部分，在譯碼時鐘crx的上升沿作用下，將hdb3碼（或ami碼）譯成nrz碼。另外，cd22103可在不中斷業(yè)務的情況下進行誤碼檢測，檢測出的誤碼脈沖從err端輸出，其脈寬等于收時鐘的一個周期，可用此進行誤碼計算；可檢測出所接收的ais碼，檢測周期由外部rais決定。據(jù)ccitt規(guī)定，在rais信號的一個周期（500s）內，若接收信號中“0”碼個數(shù)少于3，則ais端輸出高電平，使系統(tǒng)告警電路輸出相應的告警信號，若接收信號中“0”碼個數(shù)不少于3，ais端輸出低電平，表示接收信號正常。

4 結語

本文給出的ami/hdb3編譯碼電路實現(xiàn)方法經實際硬件電路測試，信號波形、頻譜符合理論分析，同時給出的兩種產生ami/hdb3碼的方法，既可滿足教學實驗的現(xiàn)象觀察，便于加深對信道編譯碼原理的理解，也可滿足實際的通信系統(tǒng)傳輸要求，可進一步用于e1系統(tǒng)pcm語音編碼后的信道編碼中，具有很實際的應用價值。