HDB3编码器ASIC的设计

摘要：在数字通信领域中，HDB3码是一种非常适合在基带信号传输系统中传输的码型，并保持了AMI的优点。为了满足用户的需求，提高通信系统工作稳定性，HDB3编码器专用集成电路(ASIC)集成了插"V"、插"B"和"V"码极性纠正模块，通过仿真和硬件验证，它可以有效消除传输信号中的直流成分和很小的低频成分，可以实现基带信号在基带信道中直接传输与提取，同时能很好地提取定时信号。
关键字：基带信号；HDB3编码器；门电路；ASIC

0 引言
    数字通信的主要目的就是准确无误地传输信道中所携带的信息。数字通信系统中，发送端把数字信号变成适合信道的基带信号(基带调制)，然后经过信道进行传输；接收端则把信道中的基带信号还原成原始的数字信号(基带解调)，在这个调制解调的过程中首要的问题就是码型的选择问题。HDB3编码具有很多优点：其一，它很容易在其相应基带信号中提取定时信号；其二，HDB3码无直流成分和很小的低频成分；其三，传输效率高。因此，HDB3码非常适合在基带信道中进行传输，并有必要进行HDB3编码器芯片的设计。

1 HDB3编码器ASIC的设计流程
    首先采用Verilog HDL进行前端设计，在软件QuartusⅡ上编译仿真；然后进行综合、门电路仿真和硬件验证；最后进行后端版图设计。

2 HDB3编码器的硬件描述语言设计思路
    HDB3编码原理：首先将信息代码变换成交替反转码(AMI码，AMI码的编码规则：将代码中的"0"仍然变换成传输码中的"0"，而把"1"交替地变换为传输码中的+1，-1，+1，-1，…)，然后来检查交替反转码中的连"0"情况。假如在该串码型中出现了4个或者4个以上
连"0"时，将每4个连"0"段的第4个"0"替换成一个破坏符号"V"，该破坏码的极性与该串码型中前一非"0"符号同极性。为了保证插入破坏符号后的序列不会破坏，将相邻V符号极性交替出现。因此当两个相邻的V符号间有偶数个非"0"符号时，就要将该小段中第1个"0"变成"+B"或者"-B"，B符号的极性与前一非"0"符号相反，后面非"0"符号再交替变化。在单双极性变换时，必须要区分"+1"，"-1"，"+V"，"-V"，"+B"，"-B"，"0"，因此用一串二进制来表示，具体表示如表1所示。

    该HDB3编码器由插入"V"模块、插入"B"模块和"V"码极性纠正模块组成。
2．1 插入"V"模块
    该模块功能是将信息代码转换成正负交替的码型，同时将每4个连"0"段的第4个"0"替换成"V"。首先判断输入的码型是"0"或"1"，如果是"0"，每接收到一次，则让一个两位的计数器开始加"1"。为了保证计数的是4个连"0"，当输入的编码串中没有出现4个连"0"而出现了"1"时，两位计数器的计数初值重新清"0"。假如出现"0000"，还要判断前一非"0"符号的极型，目的就是为了让第4个"0"替换成与前一非"0"符号相同极性的破坏码(V)；如果输入是"1"，只需判断前一非"0"符号是"+"还是"-"，比如说，前一非"0"符号为"+"，那么此次的"1"变为"-1"输出，同时让符号标志位变为"-"状态，同理，前一非"0"符号为"-"，输出结果将是"+1"，符号标志将变为"+"。设计流程见图1，该模块门电路见图2。

2．2 插入"B"模块
    信息代码经过上级模块(插入"V"模块)以后，输出的代码将是极性正负交替的码型。插入"B"模块的功能是：当两个连续的"V"之间有偶数个"1"时，要将该小段中第一个"0"替换成"B"，其符号与前一非"0"符号相反；当两个连续的"V"间有奇数个"1"时，则无须替换。本模块的设计精髓是：设计成可综合的状态机，利用状态机的方法将信息代码编成HDB3的码。此设计共5个状态，并且将插入的破坏码"B"的极性记录下来，以便下级模块进行"V"码极性的纠正。在第一个状态中，如果接到的数据是"+V"或"-V"，信息代码原样输出，分别转移到第2、第3个状态；如果是其他符号的数据，信息代码也原样输出，回到第一个状态。在第二个状态中，当有非"+1"符号输入时，信息代码原样输出，回到第二个状态；当有"+1"输入时，说明两个相邻的"V"之间有偶数个"1"，转移到第4个状态。在第四个状态中，当有"0"输入时，则让此刻的"0"替换成"-B"，回到第一个状态，重新开始判断两个连续的"V"之间是否有偶数个"1"；当有非"0"符号输入时，回到第二个状态。第三、第五个状态工作方式与以上类似。状态转移图见图3，模块门电路见图4。

2．3 "V"码极性纠正模块
    由于插入"B"模块的存在，使得"V"码的极性与前一非"0"符号的极性不能保持一致。因此，需要加一个"V"码极性纠正模块，在该模块中，有两个数据输入端，一个是信息代码，另外一个是记录"B"码极性的标志。当标志为"01"和"11"时，分别表示此刻插入"B "码极性是"-"和"+"。设计思路：当标志是"01"，且紧接着"B"码后的第一个"V"码极性是"+"时，就让"+V"替换成"-V"输出，同理，当标志是"11"，且紧接着"B"码后的第一个"V"码极性是"-"时，就让"-V"替换成"+V"输出，其他的状态都保持原样输出。该模块门级电路见图5。

3 HDB3编码器仿真结果分析
    仿真结果见图6，当输入的原始信息代码串"10101100000110000100001100001100111000011110000"经过插入"V"模块后，原始的信息代码串被转换成正负交替的极性码(其中"V"码除外，因为"V"码的极性和前一非"0"码的极性相同)，输出信号codeoutv为："60206 200030620003600072600072600262000362620003"，并作为插入"B"模块的输入信号，其输出信号为codeoutb，根据要求将对该串信息代码插入破坏码("B")，在插入破坏码后，使得"V"码的极性不符合HDB3编码的规则，因此在该模块中增加了"B"码极性的标志输出，该标志在"V"码极性纠正模块中将codeoutb信息代码的"V"码极性进行纠正，最后输出端codeout的输出结果为："6020620003062500760007261 0032610262000362625007"。

4 结语
    该HDB3编码芯片的设计采用了优化技术和巧妙的逻辑电路设计，通过仿真和硬件验证，它可以有效消除传输信号中的直流成分和很小的低频成分，实现了基带信号在基带信道中直接传输与提取，并能很好地提取定时信号。最后采用0．25μm的硅栅工艺绘制版图，很大程度上减小了版图面积，且工艺先进、性能稳定，芯片可广泛应用于数字通信领域。