AMI_HDB3在位同步实验教学中的探讨与分析.pdf

9 2 2 0 2 3年8期2 0 2 3年第4 5卷第8期AM I/H D B 3在位同步实验教学中的探讨与分析王善斌 贾 鹏收稿时间:2 0 2 3-0 6-1 1作者简介:王善斌(1 9 6 8-),硕士,副教授,研究方向为无线通信与嵌入式;贾鹏(1 9 6 7-),博士,副教授,研究方向为计算机科学与技术。(山东理工大学计算机科学与技术学院 山东 淄博2 5 5 2 0 0)摘 要 文中阐述了AM I/HD B 3在实际通信系统中应用位置、编译码规则、使用AM I/HD B 3的原因及编译码的具体实现方法,提出了HD B 4,HD B 5及HD B 6等概念与编码规则,并用F P G A仿真实现了AM I/HD B 3编译码。关键词:AM I/HD B 3;F P G A;位同步;实验教学中图法分类号 T P 3 0 1D i s c u s s i o na n dA n a l y s i so fAM I/H D B 3 i nB i t S y n c h r o n i z a t i o nE x p e r i m e n tT e a c h i n gWAN GS h a n b i na n dJ I AP e n g(S c h o o l o fC o m p u t e rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,Z i b o,S h a n d o n g2 5 5 2 0 0,C h i n a)A b s t r a c t T h i sp a p e re x p o u n d st h ea p p l i c a t i o np o s i t i o no fAM I/HD B 3i nt h ea c t u a l c o mm u n i c a t i o ns y s t e m,t h ec o d i n gr u l e s,t h e r e a s o n s f o ru s i n gAM I/HD B 3a n d t h e s p e c i f i c i m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f t h e c o d i n ga n dd e c o d i n g,c o n c e p t s a n dc o d i n gr u l e s s u c ha sHD B 4,HD B 5a n dHD B 6a r ep r o p o s e d,a n d t h eAM I/HD B 3c o d i n ga n dd e c o d i n ga r e r e a l i z e db yF P-G As i m u l a t i o n.K e y w o r d s AM I/HD B 3,F P G A,B i t s y n c h r o n i z a t i o n,E x p e r i m e n t t e a c h i n g0 引言“通信原理”是电子信息类专业的基础课,是一门理论性和实践性较强的课程,该课程的理论教学方法如下。由通信系统的原理方框图得到数学模型,再对数学模型进行数学分析,从而得到关于通信的基本概念和重要结论。学生在学习该课程时一般只使用收音机、电视机、电话机及手机等通信工具,而对通信原理特别是数字通信原理缺少实践经验和感性认识,因此往往对理论教学感到枯燥,难以理解理论分析得到的基本概念和重要结论。例如,部分学生在学完AM I/HD B 3后,也只知道一些编码规则,不清楚从中提取位同步时钟的深层原理,不能理解为什么需要同步、为什么需要使用AM I/HD B 3。针对这种情况,本文从AM I/HD B 3在 实 际 通 信 系 统 中 的 应 用 位 置、AM I/HD B 3编译码规则、使用AM I/HD B 3的原因、AM I/HD B 3编译码的具体实现方法等4个方面,对AM I/HD B 3在位同步实验教学中的作用进行了探讨与分析,有效结合知识点与通信系统,让学生既能明白是什么,又能明白为什么及如何用。1 AM I/H D B 3在实际通信系统中的应用位置HD B 3是我国和欧洲等国家和地区应用在A律P CM四次群以下的接口码形。AM I则是美国和其他美洲国家应用在u律P CM四次群以下的接口码形。2 AM I/H D B 3编译码规则AM I码的编码规律是将二进制信息码的“1”码交替编码为“+1”码和“-1”码,而“0”码编码后仍为“0”码。HD B3码的编码规律是4个连“0”二进制信息码用取代节“0 0 0 V”或“B 0 0 V”代替,当两个相邻V码中间有奇数个信息“1”码时,取代节为“0 0 0 V”,有偶数个信息“1”码(包括0个信息“1”码)时,取代节为“B 0 0 V”。在其他的信息码中,“0”码编码后仍为“0”码;信息码“1”码编码后变为“+1”码或“-1”码。HD B3码中“1”“B”的符号与其前一个非“0”码的符号相反,符合交替反转原则;而“V”的符号与其前一个非“0”码的符号相同,破坏了符号交替反转原则,但相邻V码的符号是交替反转的1。AM I码与HD B3码波形的占空比为0.5,即“+1”码、“+B”码和“+V”码对应正脉冲,“-1”码、“-B”码和“-V”码对应负脉冲。正脉冲和负脉冲的宽度与码元周期TS的关系为=0.5 TS。为了便于理解和应用,可以把HD B3码的编码规则总结为3步。(1)取代。当信息遇到4个连“0”二进制信息码时,用2 0 2 3年8期 9 3 取代节“0 0 0 V”或“B 0 0 V”代替。取代的原则为简记为“V奇数V”,即两个V码之间“1”码的个数为奇数。(2)加符号。V码与前一个非零码相同,其他则相反。(3)画波形。HD B3码波形的占空比为0.5。设信息码为1 0 0 00 1 1 00 0 0 01 0 0 00 0 0 00 0 1 0,则N R Z码、AM I码、HD B3码及其波形如图1所示。图1 N R Z码、AM I码及H D B3码的波形图从图1中可以看出,编码前信息代码中长0的个数为9个,编码后AM I长0仍是9个,HD B 3编码后长0是3个。可以看出,HD B 3码中的3就是编码后的长0个数。由此可以推出,HD B 4码的编码规则如下。(1)取代。当信息遇到5个连“0”二进制信息码时,用取代节“0 0 0 0 V”或“B 0 0 0 V”代替。取代的原则是简记为V奇数V,即两个V码之间“1”码的个数为奇数2。(2)加符号。V码与前一非零码相同,其他相反。(3)画波形。HD B 3码波形的占空比为0.5。由此也可以类推出HD B 5码、HD B 6码的编码规则。从编码规则第二步加符号,V码与前一非零码相同,其他相反中可以看出,当相邻两个1码符号相同时,说明两个1码间为取代节,当两个1码间为2个连0时,取代节为B 0 0 V;当两个1码间为3个连0时,取代节为0 0 0 V。此时,将B码和V码替换为0码,就完成了HD B 3码的译码。3 使用AM I/H D B 3的原因在实际的数字基带通信系统中,为了减少码间串扰,使信息在基带中顺利传输,一般需要将不归零码(N R Z)信号编码成适合基带传输的码元信号。在发送信息时,发送端一般不会发送时钟信息,但为了保证接收端收发信号同步,需要在接收端从接收信号中提取时钟信息来恢复数据。在远距离数字传输系统中,一般较为普遍地使用了自定时再生中继器,其定时信息可以从接收数字信号序列中提取,由于噪声干扰和其他原因,如结果在接收的数字序列中出现较长的连0,便可能导致定时信息消失,这是数字通信系统不允许的。为了方便学生了解定时信息的消失及应对方法,需要给学生设想这个虽然不常出现的场境。例如,两个学生在打电话的过程中,突然都不讲话但又都不挂断电话,由于两个学生都不讲话,在线路上编码出来的就是一串串的长0,在线路上挂接示波器看到的就是一条直线,在这条直线上,无法判断出信号码元的起始点,也就导致了定时信息的消失,如图2所示。这时就会造成接收端误码,使通信无法继续进行3。图2 1 6个连0串N R Z码、AM I/H D B 3码波形图为了解决定时信息消失的问题,需要对信息代码进行HD B3编码。例如,对1 6个连0进行HD B3编码(见图2),编码后变成相互极性正负交替的取代节B OOV。由计算可得到AM I码及HD B3码的功率谱,如图3所示。从图3中可以看出,其不含有离散谱fS成份(fS=1/TS,等于位定时信号频率),但R Z含有离散谱fS成份。图3 AM I码、H D B3码、R Z码(t=0.5 TS)频谱示意图在通信的终端,需将它们译码为N R Z码才能送给数字终端机或数模转换电路。在进行译码时,必须提供位同步信号。由于HD B3码是双极性不归零码,因此可以将AM I或HD B3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。由于整流后的AM I码、HD B3码中含有离散谱fS,故可用一个窄带滤波器得到频率为fS的正弦波,整形处理后即可得到位同步信号。当然,也可以将整流后的AM I码或HD B3码直接法送给数字锁相环,从而提取位同步信号。从HD B 3码中提取位同步信号的原理如图4所示。这样就解决了因通话双方长时间不讲话导致线路出现长0串而引起的定时信息消失的问题。由于1 6个连0的AM I编码仍然是1 6个连0,无法解决定时信息消失的问题,因此美国采用了扰码加AM I的方式。所谓扰码,即用M序列对信息代码进行异或处理。为了学生能有效地理解和记忆,可以将其归纳为以下内容,当两个中国人不讲话时,线路上传输的是极性正负交替的取代节B OOV,当两个美国人不讲话时,线路上传输的是M序列4。图4 从H D B3码中提取位同步信号原理移动信息9 4 2 0 2 3年8期导致接收端出现误码的因素有很多,如码间串扰、定时脉冲的相位抖动、判决门限值、噪声干扰幅线路上出现正脉冲和负脉冲等。由于M序列中正脉冲和负脉冲出现的概率相等,因此用扰码器将数字序列随机化的方法被认为是抑制系统相位抖动的有效方法。从中可以看出,用扰码加AM I的方法比HD B3码对相位抖动的抑制效果更好,系统相位抖动最小,但其技术比HD B3码更复杂。4 AM I/H D B 3编译码的具体实现方法AM I/HD B 3编译码具体的实现方法包括利用7 4系列集成电路搭建、单片机软件编程和F P G A实现。本实验中采用 了 利 用F P G A来 实 现 的 方 法,在 用F P G A来 实 现AM I/HD B 3编译码时,其能克服分立电路抗干扰性差、不稳定、不容易调整 等 问 题。HD B 3编 码 方 案 根 据 编 码 规则,分为取代和加符号。取代又分为两步,一是插入V码,二是插入B码。加符号对应为单/双极性变换。首先,插入V码,当信息代码出现4个连0时,将最后一个0用V码代替。为了使F P G A编程使用得更方便,可以用“1 1”来表示V码,原来的1码用“0 1”表示,原来的0码用“0 0”标示。这样就可以将信息代码变成双相码。其次,插 入B码,保证编码规则中两个V码之间的“1”码个数为奇数。当两个V码之间的1码个数为奇数时,将V码前面的第3个0码替换为B码。然后以单/双极性变换对应 编 码规则中的加符号,V码与前一非零码相同,其他相反。这样就能确保信息代码不会破坏“极性交替反转”形成的无直流特性。根据在HD B 3码编码规则中加 入 符 号V码与前一非零码相同,其他相反的原则,可以比较容易地判断出取代节,然后将V码前面的3个代码替换为0,将所有的负1码替换成正1码,完成HD B 3码的译码。HD B 3编码原理R T L如图5所示,主要包括插入V码模块、插入B码模块和单双极性变换模块。长连0串HD B 3仿真如图6所示。图5 H D B 3编码原理R T L框图图6 长连0串H D B 3仿真图5 结语本文对AM I/HD B 3在实际通信系统中应用的位置、编译码规则、使用AM I/HD B 3的原因及编译码的具体实现方法进行了阐述,对AM I/HD B 3在位同步实验教学中的作用进行了探讨与分析,总结了HD B 3的编码规则,从中推论出HD B 4,HD B 5及HD B 6等编码。另外,利用F P G A具体实现和仿真了AM I/HD B 3编译码,并结合需要的知识点与通信系统,将需要的知识点串联起来,让学生能明白其是什么、为什么及如何用,让学生系统化、体系化地掌握知识,提升了实验教学的效果。参考文献1赵仕良,谷婧,张婕,等.任意占空比数字信号位同步时钟盲提取的数字实现J.电子科技大学学报,2 0 2 1,5 0(5):7 1 0-7 1 9.2王善斌,任鲁涌.F P G A在单片机实验教学中的应用研究J.电脑知识与技术,2 0 2 1,1 7(2 2):1 4 8-1 4 9.3刘雪峰,张希.HD B 3编译码设计的F P GA实现J.数字通信世界,2 0 2 1(7):8-9.4王雪,黄海生,姚秋瑞.一种新型的HD B 3编解码电路J.光通信技术,2 0 2 0,4 4(3):5 2-5 7.移动信息