数字基带信号传输码型发生器设计讲解.docx

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数字基带信号传输码型发生器设计讲解

课程设计任务书

学生姓名：

蒋立豪专业班级：

通信1303

指导教师：

陈适　工作单位：

信息工程学院

题目:

数字基带信号传输码型发生器设计

初始条件：

　　FPGA芯片（型号不限），ISE仿真软件。

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

要求每位选课同学提交一篇关于FPGA的应用设计报告，选择的FPGA芯片不限，选用的仿真工具不限。

格式要求按照课程设计报告的标准格式完成，包括：

常见的几种基带码：

1.单极性非归零码

2.双极性非归零码

3.单极性归零码

4.双极性归零码

5.差分码

6.交替极性码

7.分相码

8.编码信号反转码

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

数字通信是信息经编码变换处理后，以数字信号在信道上传输的，较之于模拟通信有很大的优点。

数字通信有基带传输和频带传输两种方式，而基带传输系统在数字通信中有重要的代表性。

在实际的基带传输系统中，并不是所有类型的基带电波形都能在信道中传输，因此，基带传输的传输码型变换是传输过程的重要环节，因此对于传输码型的设计有一定的要求。

了解常用码型及存在的误码原因，对传输码型进行初步的研究。

本文主要设计一个基于FPGA的数字基带信号发生器，首先简要介绍了单极性非归零码、双极性非归零码、单极性归零码、双极性归零码、差分码、交替极性码、分相码、传号反转码等基带码的基本特点，然后根据码型转换原理设计发生器模块。

由于EDA技术可以简化电路，集成多块芯片，减小电路体积，所以程序采用VHDL进行描述，并用ISE软件仿真实现所有功能，最后将功能集成到FPGA上，并设计电路，产生的基带码稳定、可靠，可满足不同数字基带系统传输需要。

关键词：

数字通信，基带传输，EDA，VHDL，FPGA

Abstract

Digitalcommunicationisinformationafterprocessing,transformcoding,todigitalsignaltransmissioninthechannel.Comparedwithanalogcommunicationhasgreatadvantages.Digitalcommunicationbasebandtransmissionandthetransmissionfrequencybandintwoways,andbasebandtransmissionsystemindigitalcommunicationhaveanimportantrepresentative.Intheactualbasebandtransmissionsystem,andnotalltypesofbasebandwaveformcantransmitinthechannel,therefore,basebandtransmissionofthetransmissioncodetransformationisanimportantlinkinthetransmissionprocess.Therefore,forthedesignofthetransmissioncodehascertainrequirements.Understandingofthecommonlyusedcodetypeandtheexistenceofthecausesoftheerror,thetransmissioncodetypeforapreliminarystudy.Inthispaper,thedesignofabasebanddigitalsignalgeneratorwithFPGAbasedon.Firstly,thispaperintroducestheunipolarNRZ,bipolarnonreturntozero（NRZ）,unipolarreturntozero（NRZ）,bipolarreturnzerocode,differentialcode,alternatingthecharacteristicsofcode,codephase,inversioncodesbasebandcode,thenaccordingtothecodeconversionprincipledesigngeneratormodule.TheEDAtechnologycansimplifythecircuit,integratedchip,reducingthesizeofthecircuit,sotheprogramusingVHDLdescription,andrealizedallthefunctionswiththeISEsoftwaresimulation,finallyfunctionsareintegratedintotheFPGA,andcircuitdesignofbasebandcodestable,reliable,satisfydifferentdigitalbasebandtransmissionsystemisrequired.

Keywords:

digitalcommunication,basebandtransmission,EDA,VHDL,FPGA

1前言

按传输信号是模拟信号还是数字信号，分为模拟通信系统和数字通信系统；按传输信号是基带信号还是频带信号，分为基带通信系统和频带（调制）通信系统；如果传输的是数字信号,同时也是基带信号,则称这种系统为“数字基带通信系统”。

实际的例子有：

USB通信、RS232串口通信、局域网通信等等，主要用于近距离有线通信[1]。

在研究基带传输的同时，对传输码型的研究也是必不可少的。

常用的传输码有单极性非归零码、双极性非归零码、单极性归零码、双极性归零码、差分码、数字双相码、传号反转编码（CMI码）、密勒码、传号交替反转码、三阶高密度双极性码等。

在传输过程中码型变换时，易产生误码现象，导致信号输出错误。

因此对码型的研究更显得尤为重要。

数字传输系统中，传输对象通常是二元数字信息，而设计数字传输系统的基本考虑是选择一组有限的离散的波形来表示数字信息。

这些取值离散的波形可以是未经调制的电信号，也可以是调制后的信号。

未经调制的数字信号所占据的频谱是从零域或很低频率开始，称为数字基带信号。

不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，称为数字基带传输系统。

数字基带传输系统方框图如图1-1所示。

基带脉冲输入输出

噪声

图1-1数字基带传输系统方框图

脉冲形成器：

由于传输系统输入端通常是码元速率Rb码元宽度Tb的二进制脉序列（dk），由于这种单极性码含有直流和低频成分，而一般有线信道低频特性比较差，很难传输零频率附近的分量，因而单极性码不太适合在信道中直接传输，需用脉冲形成器形成适合于信道传输中的各种码型，如双极性码。

发送滤波器：

脉冲形成器输出的码型是以矩形脉冲为基础的，这种码型占有频带宽（含高频分量），为了更适合信道传输等要求，用传输函数HT（w）的发送滤波器使之变成平滑的波形。

信道：

信道是允许基带信号通过的介质，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。

接收滤波器：

传输函数为HR（w）接收滤波器的主要作用是滤除带外噪声，均衡信道特性，使输出的基带波形有利于采样判决。

抽样判决器和码元再生器：

抽样判决器是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，然后由码元再生电路实现码型反变换，以恢复或再生基带信号。

定时脉冲和同步提取电路：

抽样判决器在信道特性不理想及有噪声干扰的情况下，正确恢复出原来的基带信号，须同步提取电路完成从接收滤波器的输出信号中提取定时脉冲，从而保证收发两端的码元一一对应实现同步[1]。

目前，虽然数字基带传输的应用不是很广泛，但对于基带传输系统的研究仍然十分有

意义，主要是因为：

1、在利用对称电缆构成的近程数据通信系统中广泛采用了这种传输方式；

2、随着数字通信技术的发展，基带传输方式也有迅速发展的趋势；

3、基带传输中包含带通传输的许多基本问题；

4、任何一个采用线性调制的带通传输系统，可以等效为一个基带传输系统。

2数字基带信号

基带传输是最基本的数据传输方式，即按数据波的原样，不包含任何调制，在数字通信的信道上直接传送数据。

基带传输不适于传输语言、图像等信息。

目前大部分微机局域网，包括控制局域网，都是采用基带传输方式的基带网。

基带网的特点是：

信号按位流形式传输，整个系统不用调制解调器，降低了价格；传输介质较宽带网便宜；可以达到较高的数据传输速率（目前一般为10～100Mb/s），但其传输距离一般不超过25km，传输距离越长，质量越低；基带网中线路工作方式只能为半双工方式或单工方式。

基带系统的工作原理：

信源是不经过调制解调的数字基带信号，信源在发送端经过发送滤波器形成适合信道传输的码型，经过含有加性噪声的有线信道后，在接收端通过接收滤波器的滤波去噪，由抽样判决器进一步去噪恢复基带信号，从而完成基带信号的传输。

基带传输时，通常对数字信号进行一定的编码，数据编码常用3种方法：

非归零码NRZ、曼彻斯特编码和差动曼彻斯特编码。

后两种编码不含直流分量，包含时钟脉冲，便于双方自同步，因此，得到了广泛的应用。

数字基带信号，是信源发出的、未经调制或频谱变换、直接在有效频带与信号频谱相对应的信道上传输的数字信号，是消息代码的电波形，是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。

数字基带信号的类型很多，常见的有矩形脉冲，三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。

最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。

数字基带信号是数字信息的一种表现形式，被用于数字基带传输系统。

可以用不同电压或电流的代码来表示基带码。

不同形式的基带码具有不同的频谱结构，合理地设计基带码是基带传输首先要考虑的问题。

2.1数字基带信号的码型设计原则

（1）传输码型的功率谱中应不含直流分量，同时低频分量要尽量少:

满足这种要求的原因是PCM端机、再生中继器与电缆线路相互连接时，需要安装变量器，以便实现远端供电（因设置无人站）以及平衡电路与不平衡电路的连接。

（2）传输码型的功率谱中高频分量应尽量少:

这是因为一条电缆中包含有许多线对，线对间由于电磁感应会引起串音，且这种串音随频率的升高而加剧。

（3）便于定时时钟的提取:

传输码型功率谱中应含有定时钟信息，以便再生中继器或接收端能提取必需的定时钟信息。

（4）传输码型应具有一定的检测误码能力:

数字信号在信道中传输时，由于各种因素的影响，有可能产生误码，若传输码型有一定的规律性，那么就可根据这一规律性来检测是否有误码，即做到自动监测，以保证传输质量。

（5）对信源统计依赖性最小:

信道上传输的基带传输码型应具有对信源统计依赖最小的特性，即对信源经信源编码后，直接转换的数字信号的类型不应有任何限制（例如“1”和“0”出现的概率及连“0”多少等）。

（6）要求码型变换设备简单、易于实现；由信息源直接转换的数字信号不适合于直接在电缆信道中传输，需经码型变换设备转换成适合于传输的码型，要求码型变换设备要简单、易于实现[5]。

2.2非归零码（NRZ码）

非归零码分为