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(guò)程，通過(guò)用VHDL語(yǔ)言對(duì)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(guò)程，同時(shí)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(guò)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(guò)程。
關(guān)鍵詞：信道編解碼；CPLD；HDB3碼；卷積碼

0 引言
    通過(guò)對(duì)可編程邏輯器件CPLD用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)編碼譯碼過(guò)程，本設(shè)計(jì)采用HDB3碼對(duì)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(jiǎn)稱(chēng)，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(kāi)發(fā)工具，將設(shè)計(jì)的電路圖或硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)的程序綜合成網(wǎng)表文件寫(xiě)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(shí)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(chēng)為三階高密度雙極性碼，它克服了AMI碼的長(zhǎng)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(méi)有4個(gè)或4個(gè)以上連0串，則按照AMI碼的編碼規(guī)則對(duì)消息代碼進(jìn)行編碼；若出現(xiàn)4個(gè)或4個(gè)以上連0串，則將每4個(gè)連0小段的第4個(gè)0變換成與前一非0符號(hào)(+1或-1)同極性的V符號(hào)，同時(shí)保證相鄰Y符號(hào)的極性交替(即+1記為+V，-1記為-V)；接著檢查相鄰V符號(hào)間非0符號(hào)的個(gè)數(shù)是否為偶數(shù)，若為偶，則將當(dāng)前的V符號(hào)的前一非0符號(hào)后的第1個(gè)0變?yōu)?B或-B符號(hào)，且B的極性與前一非0符號(hào)的極性相反，并使后面的非0符號(hào)從V符號(hào)開(kāi)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(hào)和“B”符號(hào)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(hào)變成雙極性信號(hào)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(duì)消息代碼里的四連0串的檢測(cè)，即當(dāng)出現(xiàn)四個(gè)連0串的時(shí)候，把第四個(gè)“0”變換成符號(hào)“V”，用“11”標(biāo)識(shí)。“1”用“01”標(biāo)識(shí)，“0”用“00”標(biāo)識(shí)。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(hào)之間有偶數(shù)個(gè)非0符號(hào)時(shí)，把后一小段的第1個(gè)“0”變換成一個(gè)“B”符號(hào)?？捎靡粋€(gè)4位的移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)延遲，這樣經(jīng)插“V”處理過(guò)的碼元，可在同步時(shí)鐘的作用下同時(shí)進(jìn)行是否插“B”的判決，等到碼元從移位寄存器里出來(lái)的時(shí)候，就可以決定是應(yīng)該變換成“B”符號(hào)，還是照原碼輸出。輸出端用“11”表示符號(hào)“V”，“01”表示“1”碼，“00”表示“0”碼，“10”表示符號(hào)“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(guò)插“B”模塊后，“V”、“B”、“1”已經(jīng)分別用雙相碼“11”、“10”、“01”標(biāo)識(shí)。“0”用“00”標(biāo)識(shí)。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(wú)法識(shí)別“-1”。所以要得到所需HDB3編碼的結(jié)果，需定義“00”、“01”、“10”來(lái)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(guò)“00”、“01”、“10”控制四選一數(shù)字開(kāi)關(guān)的地址來(lái)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(kāi)關(guān)，從而將CPLD或FPGA目標(biāo)芯片的標(biāo)識(shí)性輸出轉(zhuǎn)換成雙極性信號(hào)，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(guò)多“0”消息代碼進(jìn)行分析，并利用EDA工具對(duì)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(cè)試(用示波器測(cè)得)的編碼波形如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    利用QUARTUS2開(kāi)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(guò)用VHDL語(yǔ)言對(duì)可編程邏輯器件CPLD進(jìn)行控制，基于Altera公司的Quartus X軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以原理圖和VHDL語(yǔ)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(guò)程。該設(shè)計(jì)方案與專(zhuān)用的基帶傳輸碼型編碼芯片相比，有以下優(yōu)勢(shì)：體積小，集成度高，開(kāi)發(fā)周期短，設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)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(zhuān)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(jià)值。