摘 要

在计算机技术和无线通信技术日益发展的今天，数字通信处理的优势日益显现，编码在数字基带通信中的重要性日益显现，我们需要的编码的主要目的有两点：第一是为了压缩传输的数据，即用更少的bit数去传输信息，从而更好使用带宽；第二就是使用编码技术可以更方便的纠错，将传输的信息与信道达到最佳的匹配，以此来防止传输信息收到信道加性噪声的干扰，这使得信号的抗干扰能力和传输可靠性得到大幅度提升。

为了更好的理解和应用数字基带传输系统中的编解码技术，本文进行了基于HDB3编解码技术的数字基带通信系统的设计，发送机的编码部分利用FPGA对源信号进行A/D采样，完成模拟电压向数字信号的转变，并用HDB3编码的原理将数字信号进行编码，最后通过D/A芯片输出三种电压的极性码波形，而接收机的解码部分，利用FPGA的ADC对编码波形进行采样，然后，用边缘检测得方法将数值判决并完成HDB3解码，最后将解码后的数据打包送给DAC恢复原始信号。通过测试，该系统能够实现对各类简单信号的编码和解码，以进行数据传输。

关键词：数字基带传输；FGPA；HDB3编码解码；A/D；D/A

Design and Implementation of HDB3 Communication System Based on FPGA

ABSTRACT

Today in the growing world of computer technology and wireless communication technology, and the importance of coding in digital baseband communication is becoming more and more obvious. The main purpose of the coding we need is twofold: The first is to compress the transmitted data, that is, to use less. The number of bits to transmit information, so as to better use the bandwidth; the second is to use the coding technology to more easily correct the error, to achieve the best match between the transmitted information and the channel, so as to prevent the transmission information from receiving channel additive noise. The interference makes the signal's anti-interference ability and transmission reliability enhanced.

In order to better understand and apply the codec technology , I design a Digital baseband transmission system which is based on HDB3 codec technology. The coding part of the transmitter uses FPGA to source the signal. A/D sampling, completing the transition of analog voltage to digital signal, and encoding the digital signal by the principle of HDB3 encoding, finally outputting the polarity code waveform of the three voltages through the D/A chip, and decoding part of the receiver, using the FPGA The ADC samples the encoded waveform and converts the voltage into a polarity code, then, the edge detection method is used to determine the value and complete the HDB3 decoding, and finally the decoded data is packaged and sent to the DAC to recover the original signal.Through testing, the system can encode and decode various types of simple signals for data transmission.

Keywords: FPGA ; HDB3 coding and decoding ; A/D ; D/A

目录

第一章 绪论 5

1.1引言 5

1.2发展历史 5

1.3 研究背景和现状 6

1.4论文内容和结构安排 7

第二章 HDB3码数字基带传输系统总体设计 8

2.1数字基带传输系统的定义 8

2.2基带传输的常用码型 9

2.2.1 AMI码 9

2.2.2HDB3码 10

2.2.3双相码 11

2.2.4 CMI码 12

2.3硬件选择和介绍 12

2.3.1硬件平台选择 12

2.3.2 FPGA主控板介绍 13

2.4系统总体设计方案 15

2.4.1发射端设计 15

2.4.2接收端设计 15

第三章 系统模块设计 17

3.1编码发送端模块设计 17

3.1.1编码A/D采样模块 17

3.1.2 HDB3编码模块 21

3.1.3 编码D/A输出模块 24

3.2解码接收端模块设计 27

3.2.1解码A/D采样模块 27

3.2.2 数据判决模块 27

3.2.3 HDB3解码模块 28

3.2.4 解码D/A输出模块 29

第四章 系统模块仿真 30

4.1 A/D模块仿真 30

4.2 HDB3编码模块仿真 31

4.3 HDB3解码模块仿真 32

第五章 系统测试 33

5.1 A/D模块测试 33

5.2 A/D和D/A模块联合测试 33

5.3编码发射端测试 35

5.3解码接收端测试 36

5.4问题与可能解决的方法 37

第六章 论文总结 38

参考文献 39

第一章 绪论

1.1引言

失真小和可靠性高是信息时代中，信号传输的主要要求。在信息通信的过程中，只要信号经过一段距离的传输，就一定会发生一定程度的移相、噪声或者衰减，使得信号发生失真，所以，数字信号在传输前需要受到一定的处理来降低传输过程中的失真。在数字基带传输系统中，信号源输出的信号一般是0和1，我们把这类信号称为单极性NRZ(Nonreturn-To-Zero)码^[1]。在信号传输的过程中，根据不同传输信号的特点，将信号作相应的处理，使其能够在信道中传输，我们把这个过程称之为线路编码。线路编码的作用，就是对高、低频分量和直流分量丰富的信号，进行适当的波形变换，使得这些不适合在信道中传输的分量尽量减少或者尽可能的去除。

1.2发展历史

现代信息论的奠基人香农(Shannon)的《通信的数学理论》在1948年面世，这预示着信息与编码理论正式走入人们的视野^[2]。根据香浓定理，加大信号噪声比或在信号编码中加入纠错码是唯一的两种使得信号在一个带宽确定同时存在噪声的信道中传输的方法。Shannon明确了信道编码技术的研究方向，极大地推进了信道编码技术的发展。但是，虽然Shannon指出了在有噪声的信道中实现信号传输的理论，却没有说明应该如何去具体实现。

1949年，信道编码技术在人类历史上实现了巨大的突破，汉明(R.Hamming)和格雷(M.Golay)提出了第一个使用差错控制编码的方案。该码可以在7个比特中发现单个比特的错误，但是汉明码拥有较为低的编码效率，于是，M.Golay针改进了汉明码的缺点，提出了格雷码，格雷码任意两组相邻的数之间只有一位不同，这使得它在传输过程中引起的误差较小^[2]。20世纪五六十年代，信息编码技术呈现飞速发展的趋势，卷积码就是这个时期内被提出的，与上一时期的格雷码相比，它取得了近2dB的编码增益，卷积码的发明，又极大地提升了无线通信的性能，在接下来的几年中，信道编码技术的发展畅通无阻，直到进入了瓶颈期。1967年，Viterbi译码算法被提出，这又进一步提高了卷积码译码的速度和效率。从20世纪七十年代开始，信道编码进入了第三个发展时期，在这一段时间里，人们将编码频带和抗干扰能力又带上了一个新的台阶，但是始终无法客服编码性能和香农极限存在的2~3个dB的差距。直到1993年，在IEEE通信国际会议上，C.Berrou和A.Glavieux提出了Turbo码^[2]。这种编码实现了极低的误码率，从而得到了人们的密切关注，并且得到了极其广泛的应用。1999年，计算机技术的发展使得人们重新燃起了对LDPC的兴趣，在之后很短的时间内，LDPC的优越性不仅得到了验证，其译码方法也被重新改造。2007年，土耳其比尔肯大学教授E.Arikan在发表的论文中提出了Polar码，该码是迄今为止唯一能够达到香农极限的编码方法。

相关图片展示：