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QuartusⅡ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
中图分类号：TN914-34文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)01-0182-03
Design and Implementation of FPGA for Digital Baseband Transmission System
ZHANG Shui-ying, JIN Xue-bo, DU Jing-jing
(School of lnformatics ＆ Electronics, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)
Abstract： In order to improve system integration degree and system reliability, reduce power consumption and cost, and improve system flexibility, a method to design digital baseband system with hardware description language (VHDL) adopting the very higt-speed integrated circuit is put forward. The design principle of signal pettern in digital baseband system, the encoding and decoding principles of signal in the digital baseband system are elaborated. The encoder and the decoder for digital baseband signal were designed and simulated with VHDL. The digital baseband system was designed and simulated with schematic diagram design method. The design of the whole system is completed on the platform of Quartus Ⅱ and implemented with ACEX1K-EP1K30TC144-1 of Altera.
Keywords： digital communication; baseband transmission system; 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［1-2］。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［3］。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［4］。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）［5-6］，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［7］。
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［8］。
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［8］。
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［8］。
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［9］。
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。
图1 编码模块方框图
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［9］。
图2 译码模块方框图
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。
图3 输入信号为全0时的编码结果
图4 输入为11111000001111100000……时的编码结果
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。
图5 输入为0-100-1+100+1-100-1
+100+1-100-1……的译码结果
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。
图6 输入为-1+1-1+1-1000-10
+1-1+1……的译码结果
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，data_out为输出信码。由图可知，系统的输出与输入完全一致。
图7 HDB3编译码数字基带系统仿真结果
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［10］。
参 考 文 献
［1］张秀平.FPGA在数字基带信号远程传输中的应用［J］.微计算机信息，2007，23(26)：206-208.
［2］蓝伟斌，邓鹰飞.基于FPGA的数字基带通信方案［J］.梧州学院学报，2007，17 (6)：42-48.
［3］朱沛，张辉.基于FPGA的IJF数字基带编码的实现［J］.现代电子技术，2006,29(7)：43-45.
［4］夏平，向学军，万钧力.基于VHDL的数字基带信号HDB3调制解调器仿真实现［J］.三峡大学学报:自然科学版，2007，29(2)：147-149，166.
［5］单树民，钟贞，李峰.CDMA数字基带收发系统的仿真设计［J］.大众科技，2008(2)：18-19.
［6］刘炯铭.数字传输设备接口中的码型变换［J］.电视技术，2002(12)：25-26.
［7］张水英，徐伟强，金立.通信原理［M］.西安：西安电子科技大学出版社,2008.
［8］乔继红，顾伟娟.基于CPLD的HDB3码编译码器的设计［J］.北京工商大学学报:自然科学版，2005，23(1)：50-52.
［9］段吉海，黄智伟.基于CPLD/FPGA的数字通信系统建模与设计［M］.北京：电子工业出版社,2004.
［10］劳有兰，陈锦．基于FPGA时分复用数字基带通信系统的设计［J］．广西工学院学报，2003，14(2)：34-37.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
