AMIHDB3编译码系统的软硬件设计.docx

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AMIHDB3编译码系统的软硬件设计

前言

21世纪是信息时代，通信技术的快速发展给人们的生活带来了很大的方便，计算机、手机等通信设备使得人们可以方便的进行信息交流。

数字通信技术是通信技术中不可或缺的部分，它广泛运用于通信领域，更方便了信息的传输。

现代通信借助于电和光来传输信息，数字终端产生的数字信息是以“1”和“0”2种状态代表的随机序列，他可以用不同形式的电信号表示，从而构造不同形式的数字信号。

在一般的数字通信系统中首先将消息变为数字基带信号，称为信源编码，经过调制后进行传输，在接收端先进行解调恢复为基带信号，再进行解码转换为消息。

在实际的基带传输系统中，并不是所有电波均能在信道中传输，因此有基带信号的选择问题，因此对码型的设计和选择需要符合一定的原则。

随着数字通信技术的发展，基带传输方式也有了快速的发展，在某些具有低通特性的有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。

数字基带传输广泛运用于利用对称电缆构成的近程数据通信系统中，目前，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输，AMI/HDB3码是基带传输的常用码型，因此对AMI/HDB3码的研究具有重要的意义。

第一章系统总体设计

1.1传输码型

1.1.1单极性非归零（NRZ）码

NRZ码用高电平和低电平（一般为零电平）分别表示二进制信息“1”和“0”，在整个码元期间电平保持不变。

NRZ码的产生方法很简单，但是由于信号中含有较多的直流分量和低频分量，再加上NRZ码本身没有检错和纠错能力，不适合信道传输，因此，在基带传输中，信号送入信道传输之前，通常对NRZ码进行码型变换，使其转换成适合信道传输的码型。

1.1.2传号交替反转（AMI）码

AMI（AlternateMarkInversion）码信码“0”用0电平表示,信码“1”交替用“＋1”和“－1”的归零码表示，因此，AMI码对应的波形是占空比为0.5的双极性归零码，即脉冲宽度τ与码元宽度（码元周期、码元间隔）TS的关系是τ＝0.5TS。

AMI码无直流分量，低频分量较小，能量集中在频率为1/2由码率左右处，因而特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输，虽然在AMI功率谱中无定时脉冲的频率分量，但只要对基带信号进行必要的非线性处理（如全波整流或平方），即可提取定时信号。

AMI码的另一个优点是具有一定的检错能力，因为信号是按交替规律进行传输，若收端的码不符合这一规律，就可能出现错码；由于其具有上述优点，因此得到了广泛应用；

AMI码的主要缺点是他的一些性能和信源的统计特性有关。

首先，AMI码功率谱形状与信码中“1”码出现的概率有关；其次，当信码中出现较长的连“0”时，由于AMI码长时间不出现电平跳变，使提取定时信息时较困难。

1.1.3三阶高密度双极性（HDB3）

HDB3（HighDensityBinary－3）码是AMI码的一种改进型，主要是为了克服AMI码中连“0”时所带来的提取定时信息的困难。

其编码原理为：

首先将信码变换为AMI码，然后检查AMI码序列中连“0”的情况。

当出现4个以上的连“0”时，将每4个连“0”小段中的第4个“0”位变成一个非0的破坏位V，其极性和前一个非“0”位同极性。

这样就破坏了“极性交替反转”的规律。

可以在接收端很快发现破坏位，使原信码得到恢复。

但也破坏了AMI码无直流分量的优点，为了保持无直流分量这一特点，还必须保证相邻V码也应极性交替。

这一点在相邻V码之间有奇数个非“0”位时，可以得到保证；当有偶数个非“0”位时，就得不到保证，这时再将该小段第一个“0”位变换成＋B或－B，B的极性与前一个非“0”位相反，并让后面的非“0”位从V位开始再交替变化。

虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较容易，从上述原理看出，每一个破坏符号V总是与前一个非0符号同极性（包括B在内）。

这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符合，从而恢复4个连0码，再将所有的－1变成＋1后便得到原消息代码。

HDB3码保持了AMI码的优点，克服了AMI码在遇到连“0”长时难以提取定时信息的困难，因而获得广泛应用。

CCITT已建议把HDB3码作为PCM终端设备一次群到三次群的接口码型。

1.1.4NRZ，AMI，HDB3码之间的对应关系

AMI码及HDB3码不含有离散谱成份，在通信的终端需将其译码为NRZ码才能送给数字终端机或数/模转换电路。

在做译码时必须提供位同步信号。

工程上，一般将AMI或HDB3码数字信号进行整流处理，得到占空比为0.5的单极性归零码（RZτ＝0.5TS）。

由于整流后的AMI，HDB3码中含有离散谱fS，故可用一选频网络得到频率为fS的正弦波，经整形、限幅、放大处理后即可得到位同步信号。

1.2系统核心设计

AMI/HDB3的编译码系统主要由集成芯片CD22103构成，加上少量的外围电路，用于实现AMI/HDB3的编译码。

CD22103是一个LSISOS集成芯片,完成AMI/HDB3编译码功能,并具有误码检测功能。

应用于2.048Mb/s和8.448Mb/s传输中,编解码数据速率范围为50kb/s～10Mb/s,并在某种程度上CCITTG.703的推荐相一致。

HDB3发送编码和带有误码检测的接收译码在独立的编码器和译码器区段中进行,所有发送器与接收器的输入、输出都与TTL兼容,而且还具有内部环路测试功能。

在发送部分,当AMI/HDB3端接高电平时,编码电路在编码时钟CTX下降沿的作用下,将NRZ码编成HDB3码（+HDB3OUT,-HDB3OUT两路输出）;接低电平时,编成AMI码。

在接收部分,在译码时钟CRX上升沿的作用下,将HDB3码（或AMI码）译成NRZ码。

另外,CD22103可在不中断业务的情况下进行误码检测,检测出的误码脉冲从ERR端输出,其脉宽等于收时钟的1个周期,可用此进行误码计算;可检测出所接收的AIS码,检测周期由外部RAIS决定。

1.3系统总体设计

1.3.1系统要求分析

本系统的具体设计要求为:

1.以CD22103为核心设计编译码系统；

2.利用单片机产生数字基带信号；

3.要求在数码管上显示编译码结果。

1.3.2系统单元功能模块

本系统具有以下单元功能模块：

1.数字基带信号产生单元；

2.编译码时钟信号产生单元；

3.基带信号显示单元；

4.编译码单元；

5.码型变换单元。

第二章系统组成及其工作原理

2.1系统的工作原理

依据HDB3的工作原理，采用CD22103集成专用芯片可实现AMI/HDB3的编译码。

其电路原理框图如图2.1所示，输入的NRZ码流可由单片机产生，码流在时钟信号的推动下输入，经CD22103集成芯片编码后输出编码结果，编码结果经码型变换电路后输出双极性的AMI/HDB3码。

编码结果返回CD22103集成芯片，在时钟信号推动下进行译码输出译码结果。

2.2系统的组成

根据AMI/HDB3的编译码特点，该编码系统主要可分为以下几个组成部分：

1.基带信号产生单元。

该单元模块用于产生编码所需的基带信号，基带信号由CD22103集成芯片的1脚输入，

2.编译码时钟信号产生单元。

该单元模块用于产生编译码所需的同步时钟信号，编码时钟信号由CD22103集成芯片的2脚输入，用于推动基带信号的编码；译码时钟信号由CD22103集成芯片的5脚输入，用于推动AMI/HDB3码的译码。

3.基带信号显示单元。

该单元用于显示发送的基带信号，采用7279用于显示基带信号的码元，方便与译码结果进行比较，验证译码结果的正确性。

4.编译码单元。

该电路主要由集成芯片CD22103构成，加上少量的外围电路，CD22103集成芯片用于完成AMI/HDB3的编译码过程，编码结果从CD22103的14、15脚输出，而后由11、13脚返回，在译码时钟信号的推动下，译码结果从4脚输出。

5.码型变换电路。

该电路采用TL084对HDB3的输出进行变换，将CD22103的14、15脚输出的单极性波形变换成为双极性的HDB3码。

HDB3输出

译码信号输出

图2.1系统原理框图

第三章软件设计

3.1基带信号的产生

AMI/HDB3编译码系统首先必须输入基带信号，即NRZ码，NRZ码用高电平和低电平（一般为零电平）分别表示二进制信息“1”和“0”，因此可以利用单片机的I/O口反复的输出高低电平代表基带信号，然后将基带信号从CD22103的1脚输入，为编码做好准备。

码元“1”和“0”的产生可利用7279键盘的任意两个按键，一个用来发“1”，一个用来发“0”，由于单片机最小系统只有8个数码管，所以一次可以显示8个码元，8个码元正好可以组成一个字节，因此可以建立一个标志单元60H，赋初值0，作为存要发送的数的一个单元。

3.2基带信号的显示

基带信号显示是利用数码管显示发送的数字基带信号，由于该单片机最小系统采用的是7279芯片，一次最多可以显示8个码元。

实验每输入一个码元，相应的数码管显示该码元，直到8个数码管全部显示，然后等待发送。

7279是一种可编程数码管/键盘串行接口芯片，在显示之前必须进行初始化，为接下来键盘扫描，基带信号在LED显示做准备。

3.3时钟信号的产生

AMI/HDB3编译码系统中，CD22103集成芯片必须在时钟信号的推动下才能完成AMI/HDB3的编译码，时钟信号必须要与编译码信号同步输入，但是要对HDB3信号译码得到NRZ信号，必须从HDB3码中提取位同步信号。

由于HDB3码本身不含有位同步频率成分，故不能直接从HDB3码中提取位同步信号。

实验使用软件的方法产生时钟信号，利用单片机的一个I/O口（P1.7）进行输出，在基带信号的发送过程中，只要在每发送完一个码元后对该I/O口的输出取反，即可方便的得到与基带信号同步的时钟信号。

3.4基带信号的发送

基带信号的发送是循环发送八位数字基带信号，当按下八个码元之后，码元存在一个字节60H单元中等待发送，可以利用7279键盘定义一个发送键，当八个码元确定后，对键盘进行扫描，只有发送键按下后，码元才通过单片机I/O口发送出去，且循环发送这8个码元。

3.5时钟信号的发送

由于时钟信号必须要与基带信号同步，所以时钟信号的发送伴随着基带信号的发送，即每发送完一位基带信号后，时钟信号发送的I/O口电平取反即可得与基带信号同步的时钟信号。

基于以上基带信号与时钟信号的产生及发送过程，可设计出系统主程序流程图如图3.1所示

N

Y

N

Y

图3.1系统主程序流程图

基带信号和编译码时钟信号发送子程序流程图如图3.2所示：

置R2（即发送的次数寄存器）为08H，60H单元中的数（即要发送的数）送A，A带进位左移一位到C，然后将C送P1.6（P1.6即为数字基带信号串行输出的端口），将P1.7取反，调用延时子程序，判断R2是否为0（即是否发送完8次），发送完就返回

图3.2数字基带信号和时钟信号发送子程序流程图

第四章硬件设计

4.1AMI/HDB3编译码单元

AMI/HDB3编译码系统采用专用集成芯片CD22103对AMI/HDB3进行编译码，

CD22103主要由发送编码和接收译码两部分组成，工作速率为50kb/s－10Mb/s。

在发送部分，当AMI/HDB3端接高电平时，编码电路在编码时钟CTX下降沿的作用下，将NRZ码编成HDB3码（＋HDB3－OUT，－HDB3－OUT两路输出）；接低电平时，编成AMI码。

输入的基带信号通过编译码器输出两路并行信号＋HDB3－OUT和－HDB3－OUT，他们都是半占空比的正脉冲信号，分别与AMI/HDB3码的正极性信号及负极性信号相对应，这两路信号经单/双极性变换后可得到HDB3码。

在接收部分，在译码时钟CRX的上升沿作用下，将HDB3码（或AMI码）译成NRZ码。

另外，CD22103可在不中断业务的情况下进行误码检测，检测出的误码脉冲从ERR端输出，ERR端通过接一发光二极管，当发光二极管亮时，即可检测出发生误码。

其电路原理图如图4.2所示，NRZ码流由CD22103的1脚输入，时钟信号由2脚输入，HDB3与AMI由开关选择。

编码之后的结果在CD22103集成芯片的14、15脚输出。

而后在电路上直接由CD22103的11、13脚返回，再由CD22103集成芯片进行译码，译码时钟信号从CD22103集成芯片的5脚输入。

由于HDB3的编译码规则比较复杂，当前输出的HDB3码字可能与前4个码字有关，因而HDB3的编译码时延较大。

所以译码时钟信号较编码时钟信号也应要有一定的延时，实验采用74LS04非门进行延时，通过调试确定非门使用的数目。

4.2码型变换单元

由于AMI/HDB3编码电路中，输入的NRZ信号通过编译码器输出两路并行信号＋HDB3－OUT和－HDB3－OUT，他们都是半占空比的正脉冲信号，分别与AMI/HDB3码的正极性信号及负极性信号相对应，这两路信号经单/双极性变换后可得到HDB3码。

两路并行信号＋HDB3－OUT和－HDB3－OUT从CD22103集成芯片14、15脚输出，所以必须经过码型变换后才能得到双极性的HDB3码，由此设计以下码型变换电路，该电路的作用是将AMI/HDB3码的正极性信号及负极性信号经单双极性变换得到HDB3码。

根据CD22103集成芯片14、15脚输出的是两路单极性波形，最后需要得到双极性的波形，由图4.1可以看出，该码型变换电路由两路输入，一路输出，因此可以利用由运算放大器构成的差分比例运算电路实现波形的变换。

该运算电路输出电压与同相输入端信号极性相同，与反相输入端信号电压相反，当两路信号同时作用于两个输入端时，就可以实现加减运算。

实验采用TL084运算放大器对HDB3进行码型变换，这种方法得到的HDB3码码型规律，现象明显，为了便于观察，可以对波形进行放大，放大倍数可以根据实验过程进行选择。

（U3）

（U2）

（U1）

图4.2AMI与HDB3码型对比

结合以上编译码电路及码型变换电路的设计，可设计实验硬件电路图如图4.2所示：

图4.3实验硬件电路图

4.3参数计算

差分运算电路公式：

U3=Rf/R（U2-U1）

其中Rf的取值范围为1千欧直1兆欧。

设放大倍数为2倍，Rf取20K，则R取10K。

由此可得R1=R2=10K,R3=R5=20K。

LED数码管压降约为1.7V，当通过LED电流为3mA~10mA时，LED数码管点亮，ERR端输出电平约为4.5V，由此R4可取10K。

C1、C2、C3为耦合电容，通常取值0.1uf。

第五章系统调试

5.1基带信号的产生单元

5.1.1调试过程

按设计要求通过按下相应的按键得到一串0，1得到8个码元存入60H单元后，利用示波器对I/O口（P1.6）输出波形进行观察。

实验开始按下发送键后并没有得到相应的NRZ波形，经分析，发现是由于单片机执行一条指令的周期非常短，导致信号发送的频率太高。

为了减小波形的频率，实验采用延时的方式进行解决，即每发送完一位码元后延时一段时间，然后再发送下一位，修改程序后，用示波器观察所得NRZ波形与数码管显示的码元一致，所得NRZ信号即可接入CD22103集成芯片的1脚为编码做准备。

5.1.2调试结果

输入基带信号显示结果及用示波器观察P1.6输出的基带信号波形如图5.1所示：

图5.1基带信号波形

5.2时钟信号的产生单元

调试过程

时钟信号是AMI/HDB3编译码系统的重要组成部分，实验开始想从HDB3码中提取位同步信号。

但是HDB3码本身不含有位同步频率成分，故不能直接从HDB3码中提取位同步信号，所以利用硬件电路很难准确的实现这一点。

经分析，可以利用单片机的I/O口编程产生与基带信号同步的时钟信号，编好程序后，利用示波器的双通道对输出的时钟信号与基带信号进行比较，观察波形是否同步，经实验观察，所得时钟信号与基带信号同步，将时钟信号接入CD22103集成芯片的2脚，推动NRZ信号的编码。

由于CD22103的译码过程也需要在译码时钟的推动下进行，因此实验还需产生与译码信号同步的时钟信号，实验一开始直接将编码时钟信号作为译码时钟信号，用示波器并没有观察到译码波形。

经分析是由于HDB3的编码规则比较复杂，当前的输出HDB3码字可能与前4个码字有关，因而HDB3编码结果时延较大。

如果对实验所用编码时钟信号进行一定的延时，然后作为译码时钟信号接入CD22103的4脚，然后用示波器观察译码结果。

实验可采用74LS04非门对编码时钟信号进行延时，但是延时多少才能与译码信号同步很难确定，实验是通过逐步增加非门的个数来确定延时时间的，经实践，当采用一个非门延时后，即观察到了译码结果。

5.3基带信号显示单元

5.3.1调试过程

当按下一串0、1码元后，在7279数码管上显示出八位数字基带信号，当按下发0键时，调用显示0的子程序，当按下发1键时，调用显示1的子程序，直到八位数码管全部显示满，此时数码管显示的即为待发送的数字基带信号。

该调试过程主要利用Keil软件对显示程序进行调试，首先编写显示0与显示1的子程序，然后进行键盘扫描，当检测到相应的码元信息后，调用相应显示程序。

程序调试无误后，下载到单片机，观察数码管的显示是否正确。

5.3.2调试结果

调试完成后，数码管显示的基带信号如图5.2所示：

图5.1基带信号显示

5.4编译码单元

5.4.1调试过程

根据AMI/HDB3编译码系统的硬件电路原理图，将编码部分电路焊接成功后，输入基带信号和编码时钟，用示波器观察编码结果，拨动开关进行AMI与HDB3波形的选择，观察示波器波形的变化。

该调试过程比较简单，结果很快调试出来，且没有发生错误。

拨动开关观察到的AMI与HDB3波形也符合编码规则。

将输出的两路并行信号＋HDB3－OUT和－HDB3－OUT输入CD22103进行译码，并接入同步的译码时钟信号，用示波器观察译码波形是否与输入的基带信号一致，如果一致，说明译码正确。

调试过程中，开始直接将P1.7输出的编码时钟接入译码时钟，没有得到正确的译码结果，这是由于编码后输入信号存在一定的延时，因将编码时钟延时一定的时间后再接入译码时钟，实验中采用非门延时，当接入一个非门后，观察示波器的译码波形，所得波形与输入基带信号相同，但存在一定的延时，说明译码正确。

5.4.2调试结果

基带信号经编码所得AMI波形如图5.3所示，译码结果如图5.4所示。

图5.3AMI码波形

图5.4示波器输出的译码信号与基带信号的对比

5.5码型变换单元

5.5.1调试过程

编码无误后，焊接码型变换电路。

用示波器接运算放大器TL084的1脚，观察输出的波形是否为正确的AMI/HDB3码。

实验开始并没有得到正确的波形输出，经检验后，发现由于电源地线没有接在一起，连接好后，重新观察，得到了正确的双极性的AMI/HDB3码输出。

5.5.2调试结果

TL084的1脚输出的AMI、HDB3波形如图5.5、图5.6所示：

图5.5示波器输出的AMI编码波形

图5.6示波器输出的HDB3编码波形

5.6结果分析

由以上记录结果可以得出，数字基带信号经过编码后得到了AMI/HDB3码，然后再进行译码也得到了与基带信号相同的信号。

设计中给出的AMI/HDB3编解码电路经实际硬件测试,输出信号波形符合理论分析。

实验结果表明:

采用专用集成芯片CD22103加上少量外围芯片,可以方便、准确地实现AMI/HDB3编解码。

设计中给出的AMI/HDB3码的编解码方法,不但调试方便,电路性能稳定可靠,而且对位同步提取部分稍加修改即可用于通信电路中,具有实际应用价值。

第六章总结

6.1本次设计的特点

本系统主要又单片机最小系统，集成芯片CD22103及少量的外围电路构成，单片机用于编程实现基带信号及编码时钟信号的发送，并且显示基带信号；集成芯片CD22103用于对输入的基带信号进行AMI/HDB3编译码，加上外围芯片TL084用于对输出的单极性AMI/HDB3波形进行码型变换，使输出为双极性的AMI/HDB3码型。

6.2本次设计的不足之处

本系统基本功能能够完全正常的实现，但仍有不足之处，在以下方面仍可改进：

1.该软件设计由于单片机最小系统数码管只有8个，只能显示8位基带信号，如果增加数码管个数或采用动态显示方式，对软件进行改进，可以输出更多位的数字基带信号

2.本设计中采用TL084对码型进行变换，所得信号传输能力有限，可以采用变压器耦合得到HDB3码，这种方法提高了信号的传输能力，更有利于实际运用。

6.3本次设计的心得

本次设计学会了对7279可编程数码管/键盘串行接口的使用，掌握了CD22103集成芯片的功能，加深了对AMI/HDB3编译码原理的理解，培养了个人的耐心及发现问题、解决问题的能力，积累了综合设计的经验，提高了将所学知识运用于实际的能力。

参考文献

[1]樊昌信，詹道庸，徐炳祥，等.通信原理[M]，第4版;北京：

国防工业出版社，1998；

[2]罗伟雄，韩力，原东昌，等;通信原理与电路[M]，北京：

北京理工大学出版社，2000；

[3]胡汉才.单片机原理及系统设计.北京：

清华大学出版社，2002；

[4]樊昌信,曹丽娜.通信原理（第6版）.北京：

国防工业出版社，2008；

[5]张有德,赵志英.单片微型机原理应用与实践.上海：

复旦大学出版社；

[6]华成英，童诗白.模拟电子技术基础（第四版）.北京：

高等教育出版社。

附录一：

元件清单

电阻：

10K3个

20K2个

电容：

0.1UF3个

芯片：

CD221031片

74LS041片

TL0841片

发光二极管1个

单刀双置开关1个

导线若干

万能版1块

附录二：

程序清单及注释

ORG0000H

LJMPMAIN

MAIN:

MOVSP,#67H

ACALLCSH；系统初始化

MOVR5,#97H；设置数码管显示为从左到右

MOV60H,#00H；60H用来存要发送的数

KEY:

ACALLKEY1；读键值

CJNEA,#0FFH,LK1

CLR00H

SJMPKEY

LK1:

JB00H,LK2

SETB00H

CJNEA,#1FH,LK3；判断是否按下0号键

ACALLDTR0；调用显“0”程序

MOVA,60H

CLRC

RLCA

MOV60H,A

DECR5

CJNER5,#90H,LY1

LY1:

JNCKEY

ACALLDEY

LJMPFS；存满8位后调用发送程序

LK3:

CJNEA,#1EH,LK4；判断是否按下1号键

ACALLDTR1；调用显“1”程序

DECR5

MOVA,60H

SETBC

RLCA

MOV60H,A

CJNER5,#90H,LY2

LY2:

JNCKEY

ACALLDEY

LJMPFS；存满8位后调用发送程序

LK4:

SJMPKEY

LK2:

MOVA,#0FFH

SJMPKEY

FS:

ACALLKEY1

CJNEA,#0FFH,LW1

CLR00H

SJMPFS

LW1:

JB00H,LW2