数字通信原理实验一AMIHDB3编译码实验

数字通信原理

实验报告

实验一AMI、HDB3编译码实验

学院计算机与电子信息学院

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实验一 AMI、HDB3编译码实验

一、实验目的

了解由二进制单极性码变换为AMI码HDB3码的编码译码规则，掌握它的工作原理和实验方法。

二、实验内容

1．伪随机码基带信号实验

2．AMI码实验

① AMI码编码实验

② AMI码译码实验

③ AMI码位同步提取实验

3．HDB3编码实验

4．HDB3译码实验

5．HDB3位同步提取实验

6．AMI和HDB3位同步提取比较实验

7．HDB3码频谱测量实验

8．书本上的HDB3码变化和示波器观察的HDB3码变化差异实验

三、基本原理:PCM信号基带传输线路码型

PCM信号在电缆信道中传输时一般采用基带传输方式，尽管是采用基带传输方式，但也不是将PCM编码器输出的单极性码序列直接送入信道传输，因为单极性脉冲序列的功率谱中含有丰富的直流分量和较多的低频分量，不适于直接送人用变压器耦合的电缆信道传输，为了获得优质的传输特性，一般是将单数性脉冲序列进行码型变换，以适应传输信道的特性。

(一)传输码型的选择

在选择传输码型时，要考虑信号的传输信道的特性以及对定时提取的要求等。归结起来，传输码型的选择，要考虑以下几个原则:

1．传输信道低频截止特性的影响

在电缆信道传输时，要求传输码型的频谱中不应含有直流分量，同时低频分量要尽量少。原因是PCM端机，再生中继器与电缆线路相连接时，需要安装变压器，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。

图1.1是表示具有远端供电时变压器隔离电源的作用，以保护局内设备。

图1.1变压器的隔离作用

由于变压器的接入，使信道具有低频截止特性，如果信码流中存在直流和低频成分，则

无法通过变压器，否则将引起波形失真。

2．码型频谱中高频分量的影响

一条电缆中包含有许多线对，线对间由于电磁辐射而引起的串话是随着频宰的升高而加剧，因此要求频谱中高频分量尽量少，否则因串话会限制信号的传输距离或传播容量。

3．定时时钟的提取

码型频谱中应含有定时时钟信息，以便再生中继器接收端提取必需的时钟信息。

4．码型具有误码检测能力

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传输质量，以便做到自动监测。

5.码型变换设备简单，易于实现。

(二)常用的传输码型

1．单极性码

单极性码是一种最简单、最基本的码型。

图1.2(a)是全占空(占空比100%)单极性码(NRZ)及其频谱，图(b)是半占空(占空比50%)单极性码及其频谱。

单极性码的直流成分，信号能量大部分集中在低频部分，另外占空比越大，则直流成分也越大，信号能量越集中在低频部分。由于单极性码存在上述缺点，它不适合于作为信道传输码型，但在设备内部的传输多采用单极性码。为了减少码间干扰和便于时钟提取，常采用含有时钟频率的单极性半占空码。

2．传号交替反转码(AMI码)

图1.2(c)所示是双极性占空码，由于传号码(“1”码)的极性是交替反转的，所以又称传号交替反转码，简称AMI，AMI码与二进码序列的关系是：二进码序列中“0”仍编为“0”；而二进码序列中的“1”码则交替地变为“+1”码及“-1”码，例如：

二进码序列： 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1

AMI序列： +1 -1 0 +1 0 0 0 0 –1 +1

由于AMI码的传号码前后交替反转，所以该码没有直流分量，高频、低频成分也较少，而且能量集中在f B/2处，但无时钟频率f B成分(这无关紧要，可在接收端采用全波整流方法。将AMI码还原成单极性半占空码，就可提取时钟信息)。

从频谱中可以看出它有以下优点:

①无直流成分，低频成分也少，有利于采用变压器进行远供电源的隔离，而且对变压器的要求(如体积)也可以降低。

②高频成分少，不仅可节省信道频带，同时也可以减少串话，因信码能量集中在f B/2处，所以通常以f B/2频率来衡量信道的传输质量。

③码型提供了一定的检错能力，因为传号码的极性是交替反转的，如果发现传号码的极性不是交替反转的，就一定出现误码，因而可以检出单个误码。

④码型频谱中，虽无时钟频率成分，但AMI码经过非线性处理(全波整流)，变换单极性码后，就会有时钟f B成分

图1.2 传输码型及其功率刻度谱

由于上述优点，AMI码广泛使用于PCM系统中，它是CCITT建议采用的码型之一。

AMI序列的电路及其对应的波

形如图1.3所示。

AMI编码的缺点是二进制序列

中的“0”码变换后仍然是“0”码，

如原二进制序列中连“0”码过多，

则变换后AMI序列中仍然是连“0”

过多，这就不利于定时信息的提取，

为了克服这一缺点又提出了采用

HDB3码的方案。

3．三阶高密度双极性码(HDB3

码)

HDB3码是三阶高密度双极性码

简称，HDB3码保留了AMI

还可将连“0”码限制在3 个以内，

图1.3 AMI电路及其对应的波形

它克服了AMI码对“0”码个数无法

限制的缺点。HDB3码序列的功率如图3－4(c)所示。

HDB3码编码规则:

二进制序列变换为HDB3码按下列规则进行：

(1)HDB3是伪三进码，它的三个状态可用+1，-1和0来表示；

(2)二进制信号序列中的“0”码在HDB3码中仍编为“0”码，但对出现四个连“0”码时应按特殊规律编码；

(3)二进制信号中“1”码，在HDB3码中应交替地成+1和-1码(信号交替反转），但在编四个连“0”码时要引入传号交替反转码的“破坏点”V码(V码本身就是“1”码，可正、可

负)；

(4)二进制序列中四个连“0”按以下规则编码：

(a)信码中出现四个连“0”码时，要将这四个连“0”码用000V或B00V取代节来代替。

(B也是“1”码，可正、可负)。B、V为附加的传号码，称为取代码。

(b)如果HDB3码中四个连“0”码前面的一个传号码的极性与前一个破坏点V的极性相反，则四个连“0”码的第一个“0”码应编为“0”码；如果HDB3码中四个连“0”码前的

一个传号码的极性与前一个破坏点V的极性相同，则四个连“0”码的第一个“0”码就编成

B码。这一规则保证了相继破坏点具有交替的极性，因而不会引入直流成份。

(c)四个连“0”码的第二个“0”和第三个“0”码总是编成“0”码。

(d)四个连“0”码的最后一个“0”码总是编成破坏点V码，以便接收端对破坏点的识别。

概括地说，HDB3码是一种四连“0”取代码，它的取代节是“000V”或“B00V”。这两个

取代节选取原则是，使任意两个相邻v脉冲间的传号数为奇数时选用000V取代节，偶数时

则选用B00V取代节，这一规定的结果相邻V脉冲的极性改变是符合极性交替原则的。

举例说明如下：

例1：二进码序列：···1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1···

AMI码：···1 0 0 0 -1 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 -1···

HDB3码 : V+ - 1 0 0 0 1 B_ 0 0 V_ +1 -1 B+ 0 0 V+0 -1 0 0 0 V_ 1

例2：二进码序列：···1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1···

HDB3码： V＋ -1 0 1 -1 0 0 0 V_ B+ 0 0 V+ 0 -1 0 1 0 -1 1 B_ 0 0 V_ 0 1

HDB编码原理图和波形

图1.4

HDB3码编码器构成方框图、电原理图，时间波形图如图1－4(a)(b)(c)所示。该编码器由连“0”码检出、取代节判决、破坏点产生和单双变换四个部份组成。连零检出电路的作用是：当信码流中出现四个连“0”码时，检出一个控制信号，该检出电路由JC1－JC4四级移位寄存器和与非门JC11组成，取代节判决电路作用是：当有四个连“0”出现时，判别由哪种取代节(BOOV或OOOV)来取代四连“0”码，该判别电路由JC5、JCl2、JC6和JC10组成。破坏点产生电路是把取代节最后一比特变成极性交替的破坏点，它由JC5、JC7和JC12组成，单双变换电路的作用是：将单极性不归零码变换成双极性不归零码，它由JCl6、JCl7、JCl5、

JCl8、BGl、BG2及脉冲变压器组成。

HDB3解码器

接收端收到HDB3码后，应对HDB3码解码，还原成二进码，HDB3解码器的电原理图，时间波形图如图1.5所示，根据HDB3码的特点，HDB3码解码主要分成三步进行:首先检出极性破坏点，即找出四连“0”中添加的V码的位置(破坏点的位置)，其次去掉添加的V码，最后去掉四连“0”第一位添加的B码，还原成单极性不归零码。

HDB3码解码电路工作原理如下:JCl、JC2二个D触发器在CP作用下，将信码再生送来的码(有正极性和负极性)都变成正的不归零码，再通过JC3、JC4、JC9、JCl0将破坏点V 码检出，再由与非门JCll、JCl2构成的扣除门将破坏点V码去除，为了去掉添加的B码可将JCl3输出信号经过JC5、JC6、JC7三级移存器进行三比特移位，这样所添加的B码正好与破坏点相遇，再用扣除门JC14、在JC9、JCl0的扣除脉冲作用下，扣除B码，JCl4输出的已是扣除添加的B、V码的负极性不归零信号，再经J触发器定位整形，即可从解码器送出正极性的不归零码。

定时恢复

由异或门完成归零码变换再经晶体管调谐选频提取时钟分量，最后由7404判决，整形产生位定时。如图1.6所示。

(三)传输码型变换的误码增值

数字信号在线路中传输时由于信道不理想和噪声干扰，接收端会出现误码，当线路传输

码中出现一个数字码错误时，在码型反变换后的数字码中出现一个以上的数字码错误的现象称为误码增值，误码增值现象可用误码增值比(ε)来表示，误码增值比定义为：

e B e r p P

f P f f ＝

式中：fr 一信道码速率；

Pe 一信道误码率；

FrPe －1秒钟内的误码个数；

F B ：反变换后的码速率;

P ’e ：反变换后的误码率;

f B P ’e ：反变换后1秒钟内的误码个数。

下面举例说明误码增值情况，先分析AMI 码的误玛增值情况。下表中打*号者为信道误码位，在收端把AMI 码恢复成二进码时，只要把AMI 码中“+1”、“-1”码变为“1”码；把“0”码变为空号“0”码即可。由于各码无之间互不关联，AMI 码中的一位误码对应着二进码的一位误码，即r B e e f f P P ==',，故误码增值比ε=1。

图1.5 3HDB 解码器电路原理图

HDB码位定时提取

图1.6

(四)实际应用介绍

目前大量采用型号为CD22103的CMOS大规模集成电路的HDB3编、解码器，它可将编、解码器两大功能电路集成在一个大规模电路里。可将发送来的NRZ码变为HDB3码，也可将接收到的HDB3码还原为NRZ码。

典型应用线路

CD22103实现的HDB3码变换与定时提取电路，如图1.7

图1.7 用CD22103实现的HDB3码变换与定时提取电路

四、实验仪器

实验箱 HDB3编译码实验，华南理工大学电子与信息工程系 1套

示波器 GOS-620 1台

直流稳压器 YB1711A 1台

数字频率计 HC-F1000C 1台

五、实验步骤

准备工作：

1、按实验板上所标的电源电压开机，调准所需电压，然后关机；

2、把实验板电源连接线接好；

3、开机注意观察电流表

正电流＋I<250mA

若与上述电流差距太大，要迅速关机，检查电源线有无接错或其它原因。

为了测试电路方便，我们提供了一个简易PCM信号发生器，根据开关的位置，可产生8位循环的随机码。实验者可自己选择K1－K8的开关。产生各种连0、连1单极性二进制基带信号。

A、AMI码实验

K9、K10置AMI

1． K1一K8置10011100，测量P12、P22，

观察AMI码变换规则，P22与P30比较，

测量P30归零码变换波形。测量译码P31时钟提取波形，测量整形后CP3波形

。注意时钟移位是用靠谐振回路失谐产生。

2．K1一K8置10000000，测量P12、P22波形，

观察连0码多时，AMI码变换规则。测量译码时钟提取波形