基于CPLD的信道編解碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)是以信道的編解碼的思想，實(shí)現(xiàn)信道的編解過程，通過用VHDL語言對Altera公司生產(chǎn)的可編程邏輯器件CPLD進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)HDB3碼編解碼過程，同時也可采用原理圖的形式用CPLD實(shí)現(xiàn)卷積碼編解碼器。通過本次設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信道的編解碼，從而了解信道的編解碼過程。
關(guān)鍵詞：信道編解碼；CPLD；HDB3碼；卷積碼

0 引言
    通過對可編程邏輯器件CPLD用VHDL語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)編碼譯碼過程，本設(shè)計(jì)采用HDB3碼對可編成邏輯器件進(jìn)行編程。

1 CPLD相關(guān)內(nèi)容及信道編解碼
    CPLD(Complex Programmable Logic Device)是復(fù)雜可編程邏輯器件的簡稱，它是20世紀(jì)90年代初期出現(xiàn)的高密度可編程邏輯器件，采用E2CMOS工藝制作，一般由三種可編程電路組成，即可編程邏輯宏單元，可編程輸入／輸出單元和可編程內(nèi)部連線。它可利用EDA技術(shù)中的MAX+ PLUS2作為開發(fā)工具，將設(shè)計(jì)的電路圖或硬件描述語言編寫的程序綜合成網(wǎng)表文件寫入其中，制成ASIC芯片。CPLD的突出優(yōu)點(diǎn)是可反復(fù)編程，集成度非常高，數(shù)據(jù)速率快，同時具有較大的靈活性。

2 編碼器的VHDL建模與程序設(shè)計(jì)
2．1 HDB3碼編碼規(guī)則
    HDB3碼是AMI碼的改進(jìn)型，稱為三階高密度雙極性碼，它克服了AMI碼的長連0串現(xiàn)象。HDB3碼的編碼規(guī)則為先檢查消息代碼(二進(jìn)制)的連0串，若沒有4個或4個以上連0串，則按照AMI碼的編碼規(guī)則對消息代碼進(jìn)行編碼；若出現(xiàn)4個或4個以上連0串，則將每4個連0小段的第4個0變換成與前一非0符號(+1或-1)同極性的V符號，同時保證相鄰Y符號的極性交替(即+1記為+V，-1記為-V)；接著檢查相鄰V符號間非0符號的個數(shù)是否為偶數(shù)，若為偶，則將當(dāng)前的V符號的前一非0符號后的第1個0變?yōu)?B或-B符號，且B的極性與前一非0符號的極性相反，并使后面的非0符號從V符號開始再交替變化。
2．2 HDB3編碼器的VHDL建模與程序設(shè)計(jì)
    HDB3碼的VHDL建模思想是在消息代碼的基礎(chǔ)上，依據(jù)HDB3編碼規(guī)則進(jìn)行插入“V”符號和“B”符號的操作，且用2位二進(jìn)制代碼分別表示。最后完成單極性信號變成雙極性信號的轉(zhuǎn)換。其編碼模型如圖1所示。

2．2．1 插“V”模塊的實(shí)現(xiàn)
    插“V”模塊主要是對消息代碼里的四連0串的檢測，即當(dāng)出現(xiàn)四個連0串的時候，把第四個“0”變換成符號“V”，用“11”標(biāo)識。“1”用“01”標(biāo)識，“0”用“00”標(biāo)識。實(shí)現(xiàn)的VHDL結(jié)構(gòu)代碼如arty：
   
2．2．2 插“B”模塊的實(shí)現(xiàn)
    插“B”模塊的建模思路是當(dāng)相鄰“V”符號之間有偶數(shù)個非0符號時，把后一小段的第1個“0”變換成一個“B”符號。可用一個4位的移位寄存器來實(shí)現(xiàn)延遲，這樣經(jīng)插“V”處理過的碼元，可在同步時鐘的作用下同時進(jìn)行是否插“B”的判決，等到碼元從移位寄存器里出來的時候，就可以決定是應(yīng)該變換成“B”符號，還是照原碼輸出。輸出端用“11”表示符號“V”，“01”表示“1”碼，“00”表示“0”碼，“10”表示符號“B”。VHDL的結(jié)構(gòu)代碼如artb：
   

2．3 單極性變雙極性的實(shí)現(xiàn)
    因?yàn)榻?jīng)過插“B”模塊后，“V”、“B”、“1”已經(jīng)分別用雙相碼“11”、“10”、“01”標(biāo)識。“0”用“00”標(biāo)識。而在實(shí)際應(yīng)
用中，CPLD或FPGA端口的輸出電壓只有正極性電壓，且在波形仿真中也只有“+1”和“0”，而無法識別“-1”。所以要得到所需HDB3編碼的結(jié)果，需定義“00”、“01”、“10”來分別表示“0”、“-1”、“+1”?？蓪⒉?ldquo;B”模塊后輸出的“00”、“01”、“10”、“11”組合轉(zhuǎn)換為“00”、“01”、“10”組合，再通過“00”、“01”、“10”控制四選一數(shù)字開關(guān)的地址來選擇輸出通道，就可以實(shí)現(xiàn)0、-B、+B。本設(shè)計(jì)使用CC4052的一組通道作為四選一數(shù)字開關(guān)，從而將CPLD或FPGA目標(biāo)芯片的標(biāo)識性輸出轉(zhuǎn)換成雙極性信號，最終實(shí)現(xiàn)HDB3非歸零編碼。
2．4 HDB3編碼器的仿真
    在此，以四連“0”的可能性通過多“0”消息代碼進(jìn)行分析，并利用EDA工具對VHDL源程序進(jìn)行編譯、適配、優(yōu)化、邏輯綜合與仿真。仿真結(jié)果顯示其完全可以達(dá)到編碼要求。而將HDB3編碼硬件描述下載到CPLD或FPGA目標(biāo)芯片中，然后連接好CC4052進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測試(用示波器測得)的編碼波形如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    利用QUARTUS2開發(fā)工具進(jìn)行編譯和仿真，HDB3碼器仿真波形如圖3所示。

4 結(jié)論
    本設(shè)計(jì)主要是通過用VHDL語言對可編程邏輯器件CPLD進(jìn)行控制，基于Altera公司的Quartus X軟件開發(fā)平臺，以原理圖和VHDL語言方法混合輸入設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信道編碼、HDB3碼和卷積碼的編解碼過程。該設(shè)計(jì)方案與專用的基帶傳輸碼型編碼芯片相比，有以下優(yōu)勢：體積小，集成度高，開發(fā)周期短，設(shè)計(jì)過程簡單便捷，運(yùn)行速度快，使用方便，成本低。本文設(shè)計(jì)的編碼器能夠彌補(bǔ)專用基帶傳輸碼型編碼芯片的不足，具備一定的工程應(yīng)用價值。