利用FPGA實現HDB3編解碼功能

摘要：HDB3(三階高密度雙極性)碼具有無直流分量、低頻成分少、連零個數不超過3個、便于提取時鐘信號等特點。通過對HDB3編解碼原理進行分析和研究，提出一種基于FPGA的HDB3編解碼實現方法，給出Verilog HDL語言的實現方法和仿真波形，完成硬件電路的設計和測試，采用該方法設計的HDB3編解碼器已應用于相關實驗設備中。
關鍵詞：HDB3編碼；HDB3解碼；FPGA；Verilog HDL

1 引言
數字通信系統的某些應用可對基帶信號不載波調制而直接傳輸，其中傳輸線路對碼型的要求如下：信碼中不宜有直流分量，低頻分量應盡可能的少，碼型要便于時鐘信號提取。根據這些要求，ITU-T(國際電聯)在G．703建議中規定，對于2 MHz、8 MHz、32 MHz速率的數字接口均采用HDB3(三階高密度雙極性)碼。HDB3碼具有無直流分量，低頻成分少，連零個數不超過3個等特點，便于時鐘信號的提取和恢復，適合在信道中直接傳輸。這里利用Verilog HDL語言設計用于數字通信系統中的HDB3編解碼器。

2 HDB3編碼模塊設計
要設計一個實用的編碼模塊，首先要深入研究其編碼規則及其特點，然后根據編碼規則設計符合電路特性的編碼流程。HDB3碼的編碼規則包括：①將消息代碼變換成AMI碼，AMI碼的編碼規則是對碼流中的非“0”符號進行正負交替；②檢查AMI碼中的連零情況，當連零的個數小于4個時，保持AMI的形式不變；當連零的個數達到4個或超過4個時，則將非零碼后的第4個“0”替換成V碼，其中V碼的極性與前一非零碼(+1或-1)的極性保持一致，例如，前面的非零碼是+1，則將V碼記為+V；③完成插V操作后，檢查2個相鄰V碼之間非零碼的個數是否為偶數，若為偶數，則再將相鄰2個V碼中后一個V碼的前一非零碼后的第一個“0”變為B碼，B碼的極性與前一非“0”碼的極性相反，同時B碼后面的非“0”碼極性再次進行交替變換，保證極性交替反轉特性。
編碼規則中出現的V碼、B碼只是作為標識符，最終的電路實現還是“0”和“1”這兩種邏輯電平，因此需要采用二進制編碼對“1”、“0”、V、B進行編碼，“00”表示“0”、“0l”表示“1”，“10”表示B，“11”表示V。根據編碼規則和利用FPGA實現的特點，將編碼過程：首先插入V碼，然后插入B碼，最后是單雙極性變換。如果按照編碼規則的順序設汁．應該首先進行單雙極性變換，在完成插V和插B后，還需根據編碼規則變換當前B碼之后的非零碼的極性，這需要大量的寄存器來保存當前數據的狀態，導致電路非常復雜，占用大量的FPGA內部邏輯單元，實現難度大，且成本高。HDB3編碼過程示意圖如圖l所示。