数字基带信号传输码型发生器的设计

数字基带信号发生器的设计

摘要

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quartusII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、制作实物，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：数字基带码；EDA；VHDL；PCB；FPGA

Abstract

FPGA-based design a letter-number generator with,first of all we briefly introduce unipolar NRZ code,bipolar NRZ,Unipolar zero yards code,bipolar zero yards code,differential code, alternating polarity code,phase code,code-reversal,and third-order high-density bipolar codes etc.Then we design generator module under the code-conversion design principles.As EDA technology can make circuit simple,integrate multiple chips,reduce the size of circuits,so we take advantage of VHDL to describe it and use quartusII software to simulate.Finally we integrate all the fetures into the FPGA,and design circuit to generate stable and reliable base-band code to meet the different base-band digital transmission system needs.

Key words:digital base-band code;EDA;VHDL;PCB;FPGA

目录

摘要 (1)

Abstract (2)

1前言 (5)

2数字基带信号 (6)

2.1数字基带信号的码型设计原则[2] (6)

2.2非归零码(NRZ码)[1][3] (6)

2.2.1单极性 (6)

2.2.2双极性 (7)

2.3归零码(RZ码)[1][3] (7)

2.3.1单极性 (7)

2.3.2双极性 (7)

2.4差分码[4] (8)

2.5交替极性码(AMI码)[4] (8)

2.6分相码(曼彻斯特码)[5] (9)

2.7传号反转码(CMI码)[4][6] (9)

3EDA概述 (11)

3.1硬件描述语言[8] (11)

3.1.1Verilog-HDL (12)

3.1.2VHDL (12)

3.2可编程逻辑器件[11] (13)

3.3EDA软件[12] (14)

4基带码发生器的设计原理 (15)

4.1基带码发生器的原理框图 (15)

4.2码型转换原理 (16)

5软件设计与仿真 (17)

5.1VHDL程序设计[13][14] (17)

5.2软件仿真 (19)

5.2.1编辑和输入设计文件 (19)

5.2.2创建工程 (20)

5.2.3全程综合与编译 (22)

5.2.4仿真测试 (22)

6仿真结果及分析 (23)

6.1器件仿真结果 (23)

6.2波形仿真结果 (23)

6.2.1NRZ的仿真波形 (23)

6.2.2DRZ的仿真波形 (24)

6.2.3CFM的仿真波形 (24)

6.2.4CMI的仿真波形 (25)

6.2.5FXM的仿真波形 (25)

6.2.6SRZ的仿真波形 (25)

6.2.7AMI的仿真波形 (26)

6.2.8综合仿真波形 (26)

7课设总结 (27)

参考文献 (28)

1前言

近年来，随着大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度和技术难度降低，数字通信系统的主要缺点逐渐得到解决，因此数字传输方式日益受到欢迎。

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。

图1-1数字基带传输系统方框图

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

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[1]。

2.1数字基带信号的码型设计原则[2]

（1）对于传输频率很低的信道来说，线路传输码型的频谱中应不含直流分量。

（2）可以从基带信号中提取位定时信号。在基带传输系统中，需要从基带信号上提取位定时信息，这就要求编码功率谱中具有位定时线谱。

（3）要求基带编码具有内在检错能力。

（4）码型变换过程应具有透明性，即与信源的统计特性无关。

（5）尽量减少基带信号频谱中的高频分量。这样可以节省传输频带，提高信道的频谱利用率，还可以减少串扰。

2.2非归零码(NRZ码)[1][3]

非归零码分为两种，即单极性和双极性。

2.2.1单极性

这种传输码的零电平与正电平(或负电平)分别对应于二进制代码中的“0”码与“1”码。他的特点是：脉冲极性单一，有直流分量;脉冲波的占空比为100%，即一个脉冲持续的时间等于一个码元的宽度，在整个码元期间电平保持不变。该码经常在近距离传输时被采用。

图2-1单极性非归零码

2.2双极性

2.2.2.2

这种传输码的正、负电平分别对应于二进制代码中的“1”码与“0”码。从信号的一般统计规律看，由于“1”码与“0”码出现的概率相等，所以这种传输码的平均电平为零，即无直流分量。这样在接收端恢复信号时，其判决电平可取为0V，因而可消除因信道对直流电平的衰减而带来判决电平变化的影响。这种传输码还有抗干扰能力强的特点。该码常在CCITT的V系列接口标准或RS232C接口标准中使用。

图2-2双极性非归零码

2.3归零码(RZ码)[1][3]

归零码也分为两种，即单极性和双极性。

2.3.1单极性

与单极性非归零码不同，发送“1”时在整个码元期间高电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电平，即此方式中，在传送“1”码时发送一个宽度小于码元持续时间的归零脉冲；传送“0”码时不发送脉冲。其特征是所用脉冲宽度比码元宽度窄。主要优点是可以直接提取同步信号。单极性归零码脉冲间隔明显，有利于减小码元间的波形干扰和提取同步时钟信息，但由于脉宽窄，码元能量小，匹配接收时的输出信噪比要比NRZ码低。

图2-3单极性归零码

2.3.2双极性

这种传输码与单极性归零码相似，都是脉冲的持续时间小于码元宽度，并且都是在码元时间内回到零值。与单极性归零码不同的是，“1”码与“0”码分别是用正、负两种电平来

表示。由于相邻脉冲之间必有零电平区域存在，因此，在接收端根据接收波形归于零电平便知道1b的信息已接收完毕，以便准备下一比特信息的接收。正负脉冲的前沿起了启动信号的作用，后沿起了终止信号的作用，有利于接收端提取定时信号。因此可以保持正确的比特同步，即收发之间无需特别定时，且各符号独立地构成起止方式。此方式也叫做自同步方式。

图2-4双极性归零码

2.4差分码[4]

差分码利用前后码元电平的相对极性变化来传送信息，又称为相对码。这种传输码不是用脉冲本身的电平高低来表示二进制代码的“1”码与“0”码，而是用脉冲波的电平变化来表示码元的取值，即当码元的取值为“1”时，脉冲波的电平变化一次；而当码元的取值为“0”时，脉冲波的电平不变。这种方式的特点是，即使接收端收到的码元极性与发送端的完全相反，也能正确进行判决。采用这种波形传送二进制代码时，可以消除设备初态的影响，尤其对于调相系统来说，可以有效地消除解调时相位模糊的问题。

图2-5差分码

2.5交替极性码(AMI码)[4]

AMI码名称较多，如双极方式码、平衡对称码、传号交替反转码等。他是CCITT建议作为基带传输系统中的传输码型之一。编码规则是，二进制代码中的“1”码由正、负极性交替的脉冲表示，其脉宽等于码元周期的一半；二进制代码中的“0”码由零电平表示。此方式是单极性方式的变形，即把单极性方式中的“0”码与零电平对应，而“1”码发送极性交替的正、负电平。这种码型实际上把二进制脉冲序列变成为三电平的符号序列(故叫伪三元信

号)，其优点如下：在“1”、“0”码不等概条件下也无直流成分，且零频附近低频分量小，因此对具有变压器或其他交流耦合的传输信道来说，不易受到隔直特性的影响；若接收端收到的码元极性与发送端完全相反也能正确判决；只要进行全波整流就可以变为单极性码，如果交替极性码是归零的，变为单极性归零码后就可以提取同步信号。由于这些优点，因此他是最常用的码型之一。但当传输信息中存在长连“0”码的情况时，这种传输码将会由于长时间不出现电平跳变，从而给接收端在提取定时信号时带来困难。AMI码在连“0”码过多时提取定时信号有困难。这是因为在连“0”码时AMI输出均为零电平，连“0”码这段时间内无法提取同步信号，而前面非连“0”码时提取的位同步信号又不能保持足够的时间。这是这种传输码的不足之处。

图2-6交替极性码

2.6分相码(曼彻斯特码)[5]

这种码型的特点是每个码元用两个连续极性相反的脉冲表示。如“1”码用正、负脉冲表示，“0”码用负、正脉冲表示。这种码型不论信号的统计关系如何，均完全消除了直流分量，且有较尖锐的频谱特性。同时这种码在连“1”和连“0”的情况下都能显示码元间隔，这有利于接收端提取码同步信号。该码在本地局域网中常被使用。

图2-7分相码

2.7传号反转码(CMI码)[4][6]

传号反转码(CMI码)是由CCITT建议、适合于光信道传输的码型之一。他的基本设想是将原来二进制代码序列中的一位码变为两位码，以增加信号的富裕度。CMI码是一种二元码。其具体的编码规则是：二进制代码中的“1”码交替地用“11”和“00”表示；“0”码则固

定地用“01”表示。CMI码的特点是电平随二进制数码依次跳变，因而便于恢复定时信号，尤其当用负跳变直接提取定时信号时，不会产生相位不确定问题，具有检测错误的能力。因为在这种传输码中，只有“00”、“11”、“01”这3种码组，而没有“10”这一码组。因此，接收端可根据这一特性对接收码进行检错。该码已被CCITT推荐为PCM(脉冲编码调制)4次群的接口码型。在光缆传输系统中有时也用做线路传输码型。

图2-8传号反转码

3EDA概述

20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。

EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可靠性，减轻了设计者的劳动强度[7]。

3.1硬件描述语言[8]

硬件描述语言(HDL)是各种描述方法中最能体现EDA优越性的描述方法。所谓硬件描述语言，实际就是一个描述工具，其描述的对象就是待设计电路系统的逻辑功能，实现该功能的算法，选用的电路结构以及其他各种约束条件等。通常要求HDL既能描述系统的行为，又能描述系统的结构。HDL的使用与普通的高级语言相似，编制的HDL程序也需要首先经过编译器进行语法，语义的检查，并转换为某种中间数据格式。但与其他高级语言相区别的是，用硬件描述语言编制程序的最终目的是要生成实际的硬件，因此HDL 中有与硬件实际情况相对应的并行处理语句。此外，用HDL制程序时，还需注意硬件资源的消耗问题(如门，触发器，连线等的数目)，有的HDL程序虽然语法，语义上完全正确，但并不能生成与之相对应的实际硬件，其原因就是要实现这些程序所描述的逻辑功能，消耗的硬件资源将十分巨大。目前主要有以下两种HDL语言[9][10]。

3.1.1Verilog-HDL

Verilog-HDL语言是在1983年由GDA(Gateway Design Automation)公司的首创的。主要用于数字系统的设计。设计者可以用它来进行各种级别的逻辑设计，可以用它进行数字逻辑系统的仿真验证，时序分析，逻辑综合等。它是目前应用最广泛的硬件描述语言之一。其最大优点是与工艺无关性，这使得工程师在功能设计，逻辑验证阶段可以不必过多考虑门级电路及其工艺实现的具体细节，只需要利用系统设计时对芯片的要求，施加不同的约束条件，即可设计出实际电路。实际上，这是利用EDA工具，把逻辑验证与具体工具库匹配，把布线及延时计算由计算机自动完成，从而减轻了设计者的劳动。Verilog-HDL把数字系统当作一组模块来描述，每一个模块具有模块接口以及关于模块内容的描述，一个模块代表一个逻辑单元，这些模块用网络相互连接，相互通信。由于Verilog-HDL是标准化的，所以能把完成的设计移植到不同厂家的不同芯片中去。又由于Verilog-HDL设计的信号位数很容易改变，所以可以通过对信号位数的修改，来适应不同的硬件规模，而且在仿真验证时，仿真测试用例可以用同一种描述语言来完成。

3.1.2VHDL

VHDL语言是美国国防部于20世纪80年代后期，出于军事工业的需要开发的。1984年VHDL被IEEE确定为标准化的硬件描述语言。1993年IEEE对VHDL进行了修订，增加了部分新的VHDL命令与属性，增强了对系统的描述能力，并公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本。现在，VHDL已经成为系统描述的国际公认标准，得到众多EDA公司的支持，越来越多的硬件设计者使用VHDL描述数字系统。VHDL涵盖面广，抽象描述能力强，支持硬件的设计，验证，综合与测试。VHDL能在多个级别上对同一逻辑功能进行描述，如可以在寄存器级别上对电路的组成结构进行描述，也可以在行为描述级别上对电路的功能与性能进行描述。无论哪种级别的描述，都可以利用综合工具将描述转化为具体的硬件结构。VHDL的基本结构包含有一个实体和一个结构体，而完整的VHDL结构还包括配置，程序包与库。各种硬件描述语言中，VHDL的抽象描述能力最强，因此运用VHDL进行复杂电路设计时，往往采用自顶向下结构化的设计方法。比较而言，VHDL语言是一种高级描述语言，适用于电路高级建模，综合的效率和效果较好。Verilog-HDL语言是一种低级的描述语言，适用于描述门级电路，容易控制电路资源，但其对系统的描述能力不如VHDL语言。

3.2可编程逻辑器件[11]

可编程逻辑器件(简称PLD)是一种由用户编程来实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。它不仅速度快，集成度高，能够完成用户定义的逻辑功能外，还可以加密和重新定义编程，其允许编程次数可多达上万次。使用可编程逻辑器件可大大简化硬件系统，降低成本，提高系统的可靠性，灵活性。因此，自20世纪70年代问世以后，就受到广大工程人员的青睐，被广泛应用于工业控制，通信设备，智能仪表，计算机硬件和医疗电子仪器等多个领域。目前，PLD主要分为FPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件)两大类。FPGA和CPLD最明显的特点是高集成度，高速度和高可靠性。高速度表现在其时钟延时可小至纳秒级，结合并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有着非常广阔的应用前景;其高可靠性和高集成度表现在几乎可将整个系统集成于同一芯片中，实现所谓片上系统，从而大大缩小了系统体积，也易于管理和屏蔽。

Altera公司是世界上最大的可编程逻辑器件供应商之一。其主要产品有MAX7000/9000，FLEX10K，APEX20K，ACEX1K，Stratix，Cyclone等系列。Altera公司在20世纪90年代以后发展很快，业界普遍认为其开发工具MAX+plusⅡ是最成功的EDA 开发平台之一，QuartusⅡ是MAX+plusⅡ的升级版本。

Xilinx公司是FPGA的发明者，其产品种类较全，主要有XC9500/4000，Spartan，Virtex，Coolrunner(XPLA3)等。Xilinx公司是与Altera公司齐名的可编程逻辑器件供应商，在欧洲用Xilinx器件的人多，在日本和亚太地区用Altera器件的人多，在美国则是平分秋色。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲，Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。

Lattice公司是ISP(在系统可编程)技术的发明者，其主要产品有ispL2000/5000/8000，MACH4/5，ispMACH4000等。与Altera公司和Xilinx公司相比，Lattice的开发工具略逊一筹，大规模PLD，FPGA的竞争力也不够强，但其中小规模PLD比较有特色。Lattice 于1999年推出可编程模拟器件，现已成为全球第三大可编程逻辑器件供应商。

Actel公司是反熔丝(一次性编程)PLD的领导者。由于其PLD具有抗辐射，耐高低温，功耗低和速度快等优良品质，在军工产品和宇航产品上有较大优势，而Altera和Xilinx公司则一般不涉足军品和宇航市场。

3.3EDA软件[12]

目前在国内比较流行的EDA软件工具主要有Altera公司的MAX+plusⅡ和QuartusⅡ，Lattice公司的Expert LEVER和Synario，Xilinx公司的Foundation和Alliance，Actel公司的Actel Designer等，这四家公司的EDA开发软件特性如表2-1所示。

表3-1EDA开发软件特性

厂商EDA软件名称软件适用器件系列软件支持的描述方式

Altera MAX+plusⅡMAX，FLEX等逻辑图，波形图，AHDL文本，

Verilog-HDL

QuartusⅡMAX，FLEX，APEX等文本，VHDL文本等

Xilinx Foundation XC系列逻辑图，VHDL文本等Alliance Xilinx各种系列

Lattice Expert LEVER IspLSI，pLSI，MACH等逻辑图，VHDL文本等Synario MACH GAL，ispLSI，pLSI等逻辑图，ABEL文本，VHDL文

本等

Actel Actel Designer SX系列，MX系列逻辑图，VHDL文本等

4基带码发生器的设计原理

4.1基带码发生器的原理框图

双极性的码形需要数字部分和模拟电路来共同实现，对双极性的信号如双极性归零码、交替极性码码形输出时引入正负极性标志位，而对双极性非归零码和差分码码形输出时由低电平表示负极性。

基带码发生器的原理框图如图4-1所示：

图4-1基带码发生器的原理框图

图4-2基带码发生器外部接口引脚图

Dat：二进制数据输入端；

Clk：系统时钟输入端；

Start：始能信号输入端；

AMI（0）：交替极性码码形输出端；

AMI（1）：正负极性标志位输出端；

SRZ（0）：双极性信号码形输出端；

SRZ（1）：正负极性标志位输出端；

CFM：差分码码形输出端；

CMI：编码信号反转码码形输出端；

DRZ：单极性归零码码形输出端；

FXM：分相码（曼彻斯特码）码形输出端；

NRZ：单极性非归零码码形输出端；

4.2码型转换原理

码型转换的原理如表一所示，其中高位为正负极性标志位，其中高电平表示负极性，低电平表示正极性；

表4-1码型转换原理

5软件设计与仿真

首先由码型的编码原则实现VHDL的编程，使用quartusII进行模拟仿真，然后设计模拟电路，实现编码波形，再通过PCB制板，制作实物。

5.1VHDL程序设计[13][14]

程序如下：

library IEEE;

use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity HS_UJDM is

Port(clk:in std_logic;--系统时钟

Start:in std_logic;--始能信号

dat:in std_logic_vector(15downto0);--二进制数据输入端

NRZ:out std_logic;--非归零信号输出端

DRZ:out std_logic;--单极性归零信号输出端

SRZ:out std_logic_vector(1downto0);--双极性归零信号输出端

AMI:out std_logic_vector(1downto0);--交替极性信号输出端

CFM:out std_logic;--差分信号输出端

CMI:out std_logic;--编码信号反转码信号输出端

FXM:out std_logic);--分相码（曼彻斯特码）信号输出端end HS_UJDM;

architecture Behavioral of HS_UJDM is

begin

process(clk,start)

variable latch_dat:std_logic_vector(15downto0);--十六位二进制信号锁存器

variable latch_sig:std_logic;--高位信号锁存器

variable latch_cfm:std_logic;--差分码信号寄存器

variable latch_cnt:std_logic;--基带码同步信号

variable count_fri:integer range0to8;--分频计数器（码宽定义）

variable count_mov:integer range0to16;--移位计数器

begin

if start='0'then latch_cnt:='0';--异步复位

latch_cfm:='0';latch_sig:='0';

count_fri:=7;count_mov:=16;--异步置位

latch_dat:="0000000000000000";

elsif rising_edge(clk)then count_fri:=count_fri+1;--分频计数器+1

if count_fri=8then count_fri:=0;--计数到8

if count_mov<16then count_mov:=count_mov+1;--移位计数器+1

latch_sig:=latch_dat(15);--二进制码高位移入latch_sig中

latch_dat:=latch_dat(14downto0)&'0';--二进制数据向高位移动一位，低位补零

else latch_dat:=dat;count_mov:=0;--载入下一轮将发送的数据latch_cfm:='0';latch_sig:='0';latch_cnt:='0';--寄存器复位

end if;

if latch_sig='1'then latch_cfm:=not(latch_cfm);--差分码信号寄存器中信号取反end if;

end if;

if count_fri<4then latch_cnt:='1';--基带码同步信号的占空比调节

else latch_cnt:='0';

end if;

end if;--码形转换部分

NRZ<=latch_sig;--非归零码信号

DRZ<=latch_sig and latch_cnt;--单极性归零码信号

SRZ(0)<=latch_cnt;--双极性归零码信号

SRZ(1)<=not(latch_sig);--SRZ（1）=‘1’表示负极性

AMI(0)<=latch_sig and latch_cnt;--极性交替码信号

AMI(1)<=not(latch_cfm);--AMI（1）=‘1’表示负极性CFM<=latch_cfm;--差分码信号

FXM<=latch_cnt xnor latch_sig;--分相码信号

if latch_sig='1'then CMI<=latch_cfm;--编码信号反转码

else CMI<=not(latch_cnt);

end if;

end process;

end Behavioral;

5.2软件仿真

5.2.1编辑和输入设计文件

新建一个文件夹，建立VHDL文件，输入源程序，文件存盘。

图5-1建立VHDL文件

图5-2输入源程序

5.2.2创建工程

打开并建立新工程管理窗口，讲设计文件加入工程中，选择目标芯片，做好相应设置。

图5-3建立工程文件