基于CD22103的AMI/HDB3編譯碼電路分析與實(shí)現(xiàn)

1 引言

現(xiàn)代通信借助于電和光來(lái)傳輸信息，數(shù)字終端產(chǎn)生的數(shù)字信息是以“1”和“0”2種代碼（狀態(tài)）位代表的隨機(jī)序列，他可以用不同形式的電信號(hào)表示，從而構(gòu)造不同形式的數(shù)字信號(hào)。在一般的數(shù)字通信系統(tǒng)中首先將消息變?yōu)閿?shù)字基帶信號(hào)，稱為信源編碼，經(jīng)過(guò)調(diào)制后進(jìn)行傳輸，在接收端先進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)為基帶信號(hào)，再進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換為消息。在實(shí)際的基帶傳輸系統(tǒng)中，并不是所有電波均能在信道中傳輸，因此有基帶信號(hào)的選擇問(wèn)題，因此對(duì)碼型的設(shè)計(jì)和選擇需要符合一定的原則。當(dāng)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，高頻分量的衰減隨距離的增大而增大，電纜中線對(duì)之間的電磁輻射也隨著頻率的增高而加劇，從而限制信號(hào)的傳輸距離和傳輸質(zhì)量，同時(shí)信道中往往還存在隔直流電容和耦合變壓器，他們不能傳輸直流分量及對(duì)低頻分量有較大的衰減，因此對(duì)于一般信道高頻和低頻部分均是受限的。對(duì)于這樣的信道，應(yīng)使線路傳輸碼型的頻譜不含直流分量，并且只有很少的低頻分量和高頻分量。其次，傳輸碼型中應(yīng)含有定時(shí)時(shí)鐘信息，以利于收端定時(shí)時(shí)鐘的提取，在基帶傳輸系統(tǒng)中，定時(shí)信息是在接收端再生原始信息所必需的。一般傳輸系統(tǒng)中，為了節(jié)省頻帶是不傳輸定時(shí)信息的，必須在接受端從相應(yīng)的基帶信號(hào)中加以提取。再次，實(shí)際傳輸系統(tǒng)常希望在不中斷通信的前提下，能監(jiān)視誤碼，如果傳輸碼型有一定的規(guī)律性，那么就可以根據(jù)這一規(guī)律性來(lái)檢測(cè)傳輸質(zhì)量，以便做到自動(dòng)監(jiān)測(cè)，因此，傳輸碼型應(yīng)具有一定的誤碼檢測(cè)能力。當(dāng)然，對(duì)傳輸碼型的選擇還需要編碼和解碼設(shè)備盡量簡(jiǎn)單等要求，但以上的幾點(diǎn)是最主要的考慮因素。

本文采用的傳輸碼型為ami碼和hdb3碼，由nrz碼經(jīng)編碼電路得到。硬件實(shí)現(xiàn)電路基于專用集成芯片cd22103，他是一個(gè)lsi sos集成芯片，完成ami/hdb3編譯碼功能，應(yīng)用于2.048mb/s和8.448mb/s傳輸中，支持ami/hdb3編碼，碼率范圍為50kb/s－10mb/s，并在某種程度上與ccittg703的推薦一致。hdb3發(fā)生編碼和接收譯碼在獨(dú)立的編碼器和譯碼器區(qū)段中進(jìn)行，所有的發(fā)生器和接收器的輸入和輸出都與ttl兼容。

2 傳輸碼型

2.1 單極性非歸零（nrz）碼

nrz碼用高電平和低電平（一般為零電平）分別表示二進(jìn)制信息“1”和“0”，在整個(gè)碼元期間電平保持不變。nrz碼的產(chǎn)生方法很簡(jiǎn)單，但是由于信號(hào)中含有較多的直流分量和低頻分量，再加上nrz碼本身沒(méi)有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力，不適合信道傳輸，因此，在基帶傳輸中，信號(hào)送入信道傳輸之前，通常對(duì)nrz碼進(jìn)行碼型變換，使其轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)拇a型。

2.2 傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)（ami）碼

ami（alternate mark inversion）碼信碼“0”用0電平表示：信碼“1”交替用“＋1”和“－1”的歸零碼表示，因此，ami碼對(duì)應(yīng)的波形是占空比為0.5的雙極性歸零碼，即脈沖寬度τ與碼元寬度（碼元周期、碼元間隔）ts的關(guān)系是τ＝0.5ts。ami碼無(wú)直流分量，低頻分量較小，能量集中在頻率為1/2由碼率左右處，因而他特別適宜在不允許這些成分通過(guò)的信道中傳輸，雖然在ami功率譜中無(wú)定時(shí)脈沖的頻率分量，但只要對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行必要的非線性處理（如全波整流或平方），即可提取定時(shí)信號(hào)。ami碼的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有一定的檢錯(cuò)能力，因?yàn)樾盘?hào)是按交替規(guī)律進(jìn)行傳輸，若收端的碼不符合這一規(guī)律，就可能出現(xiàn)錯(cuò)碼；由于其具有上述優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用；

ami碼的主要缺點(diǎn)是他的一些性能和信源的統(tǒng)計(jì)特性有關(guān)。首先，他的功率譜形狀與信碼中“1”碼出現(xiàn)的概率有關(guān)；其次，當(dāng)信碼中出現(xiàn)較長(zhǎng)的連“0”時(shí)，由于ami碼長(zhǎng)時(shí)間不出現(xiàn)電平跳變，使提取定時(shí)信息時(shí)較困難。

2.3 三階高密度雙極性（hdb3）碼

hdb3（high density binary－3）碼是ami碼的一種改進(jìn)型，主要是為了克服ami碼中連“0”時(shí)所帶來(lái)的提取定時(shí)信息的困難。他的編碼原理為：首先將信碼變換為ami碼，然后檢查ami碼序列中連“0”的情況。當(dāng)出現(xiàn)4個(gè)以上的連“0”時(shí)，將每4個(gè)連“0”小段中的第4個(gè)“0”位變成一個(gè)非0的破壞位v，其極性和前一個(gè)非“0”位同極性。這樣就破壞了“極性交替反轉(zhuǎn)”的規(guī)律?？梢栽诮邮斩撕芸彀l(fā)現(xiàn)破壞位，使原信碼得到恢復(fù)。但也破壞了ami碼無(wú)直流分量的優(yōu)點(diǎn)，為了保持無(wú)直流分量這一特點(diǎn)，還必須保證相鄰v碼也應(yīng)極性交替。這一點(diǎn)在相鄰v碼之間有奇數(shù)個(gè)非“0”位時(shí)，可以得到保證；當(dāng)有偶數(shù)個(gè)非“0”位時(shí)，就得不到保證，這時(shí)再將該小段第一個(gè)“0”位變換成＋b或－b，b的極性與前一個(gè)非“0”位相反，并讓后面的非“0”位從v位開始再交替變化。

雖然hdb3碼的編碼規(guī)則比較復(fù)雜，但譯碼卻比較容易，從上述原理看出，每一個(gè)破壞符號(hào)v總是與前一個(gè)非0符號(hào)同極性（包括b在內(nèi)）。這就是說(shuō)，從收到的符號(hào)序列中可以容易地找到破壞點(diǎn)v，于是也斷定v符號(hào)及其前面的3個(gè)符號(hào)必是連0符合，從而恢復(fù)4個(gè)連0碼，再將所有的－1變成＋1后便得到原消息代碼。

hdb3碼保持了ami碼的優(yōu)點(diǎn)，克服了ami碼在遇到連“0”長(zhǎng)時(shí)難以提取定時(shí)信息的困難，因而獲得廣泛應(yīng)用。ccitt已建議把hdb3碼作為pcm終端設(shè)備一次群到三次群的接口碼型。

2.4 nrz，ami，hdb3碼之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

假設(shè)信息碼為0000 0110 0001 0000，對(duì)應(yīng)的nrz碼、ami碼，hdb3碼如圖1所示。

分析表現(xiàn)，ami碼及hdb3碼的功率譜如圖2所示，他不含有離散譜fs成份（fs＝1/ts，等于位同步信號(hào)頻率）。在通信的終端需將他們譯碼為nrz碼才能送給數(shù)字終端機(jī)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路。在做譯碼時(shí)必須提供位同步信號(hào)。工程上，一般將ami或hdb3碼數(shù)字信號(hào)進(jìn)行整流處理，得到占空比為0.5的單極性歸零碼（rz|τ＝0.5ts）。這種信號(hào)的功率譜也在圖2中給出。由于整流后的ami，hdb3碼中含有離散譜fs，故可用一選頻網(wǎng)絡(luò)得到頻率為fs的正弦波，經(jīng)整形、限幅、放大處理后即可得到位同步信號(hào)。

3 ami/hdb3碼編譯碼電路

3.1 電路分析

ami/hdb3碼的編譯碼原理框圖及電路原理圖分別如圖3，圖4所示。

該碼型變換電路采用專用集成芯片cd22103對(duì)ami/hdb3進(jìn)行編譯碼，其第3腳接＋5v時(shí)為hdb3編譯碼器，接地時(shí)為ami編譯碼器。輸入的nrz信號(hào)通過(guò)編譯碼器輸出兩路并行信號(hào)＋hdb3－out和－h(huán)db3－out，他們都是半占空比的正脈沖信號(hào)，分別與ami/hdb3碼的正極性信號(hào)及負(fù)極性信號(hào)相對(duì)應(yīng)，這兩路信號(hào)經(jīng)單/雙極性變換后可得到hdb3碼。本電路中給出的兩種單/雙極性變換方法，一種是采用模擬開關(guān)cd4052，將兩路單極性信號(hào)作為控制信號(hào)輪流選通＋5v和－5v，輸出信號(hào)即為hdb3碼，這種方法得到的hdb3碼碼型規(guī)律，現(xiàn)象明顯，便于觀察，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中通常被采用；另一種是采用變壓器耦合得到hdb3碼，這種方法提高了信號(hào)傳輸能力，在實(shí)際工程中被廣泛采用。

在對(duì)ami/hdb3碼進(jìn)行譯碼之前，同樣也是將信號(hào)經(jīng)雙/單極性變換得到相應(yīng)的正極性信號(hào)和負(fù)極性信號(hào)再送譯碼芯片。這里對(duì)應(yīng)上面的兩種方法，第一種采用對(duì)信號(hào)上拉電平，由于對(duì)信號(hào)上拉電平值的不同所對(duì)應(yīng)的控制門限不同，可通過(guò)判決整流電路（74hc04）選出兩路極性信號(hào)，這兩路極性信號(hào)同樣也是半占空比的正脈沖信號(hào)；第二種經(jīng)變壓器耦合后通過(guò)二極管半波整流便可達(dá)到雙/單極性變換的目的。

欲對(duì)hdb3信號(hào)譯碼得到nrz信號(hào)，必須從hdb3碼中提取位同步信號(hào)。由于hdb3碼本身不含有位同步頻率成分，故不能直接從hdb3碼中提取位同步信號(hào)。雙/單極性變換器及相加器構(gòu)成一個(gè)整流器，hdb3碼經(jīng)全波整流后得到的正脈沖信號(hào)hdb3－d中含有位同步信號(hào)頻率離散譜。

在cd22103中，全波整流的過(guò)程已經(jīng)集成在芯片內(nèi)部，芯片的第10管腳輸出便是hdb3－d信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)選頻網(wǎng)絡(luò)（并聯(lián)諧振回路）二次選頻即可得到與位同步信號(hào)同頻率的正弦波信號(hào)，這里要注意的是選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率應(yīng)與編碼時(shí)鐘頻率一致，正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)判決、整形后可得到同頻率的方波信號(hào)，此方波信號(hào)作為譯碼器的時(shí)鐘信號(hào)輸入，和hdb3碼經(jīng)單/雙變換得到的兩路單極性信號(hào)＋hdb3－in和－h(huán)db3－in分別送到cd22103的第5腳、第13腳和第11腳，即可得到譯碼輸出nrz信號(hào)。

3.2 芯片說(shuō)明

本電路中采用的編譯碼芯片cd22103的引腳及內(nèi)部框圖如圖5所示，引腳及功能說(shuō)明如下。

pin1：nrz－in 編碼器nrz信號(hào)輸入端；

pin2：ctx 編碼時(shí)鐘（位同步信號(hào)）輸入端；

pin3：ami/hdb3 碼型選擇端：接ttl高電平時(shí)選擇hdb3碼；接ttl低電平時(shí)選擇ami碼；

pin4：nrz－out hdb3譯碼后信碼輸出端；

pin5：crx 譯碼時(shí)鐘（位同步信號(hào)）輸入端；

pin6：rais 告警指示信號(hào)（ais）檢測(cè)電路復(fù)位端，負(fù)脈沖有效；

pin7：ais ais信號(hào)輸出端：有ais信號(hào)時(shí)為高電平，無(wú)ais信號(hào)為低電平；

pin8：vss 接地端；

pin9：err 不符合hdb3/ami碼編碼規(guī)則的誤碼脈沖輸出端；

pin10：ckr hdb3碼的匯總輸出端；

pin11：－h(huán)db3－in hdb3譯碼器負(fù)碼輸入端；

pin12：ltf hdb3譯碼內(nèi)部環(huán)回控制端，接高電平時(shí)為環(huán)回，接低電平時(shí)為正常；

pin13：＋hdb3－in hdb3譯碼器正碼輸入端；

pin14：－h(huán)db3－out hdb3編碼器負(fù)碼輸出端；

pin15：＋hdb3－out hdb3編碼器正碼輸出端；

pin16：vdd 接電源端（＋5v）。

cd22103主要由發(fā)送編碼和接收譯碼兩部分組成，工作速率為50kb/s－10mb/s。在發(fā)送部分，當(dāng)ami/ hdb3端接高電平時(shí)，編碼電路在編碼時(shí)鐘ctx下降沿的作用下，將nrz碼編成hdb3碼（＋hdb3－out，－h(huán)db3－out兩路輸出）；接低電平時(shí)，編成ami碼。在接收部分，在譯碼時(shí)鐘crx的上升沿作用下，將hdb3碼（或ami碼）譯成nrz碼。另外，cd22103可在不中斷業(yè)務(wù)的情況下進(jìn)行誤碼檢測(cè)，檢測(cè)出的誤碼脈沖從err端輸出，其脈寬等于收時(shí)鐘的一個(gè)周期，可用此進(jìn)行誤碼計(jì)算；可檢測(cè)出所接收的ais碼，檢測(cè)周期由外部rais決定。據(jù)ccitt規(guī)定，在rais信號(hào)的一個(gè)周期（500s）內(nèi)，若接收信號(hào)中“0”碼個(gè)數(shù)少于3，則ais端輸出高電平，使系統(tǒng)告警電路輸出相應(yīng)的告警信號(hào)，若接收信號(hào)中“0”碼個(gè)數(shù)不少于3，ais端輸出低電平，表示接收信號(hào)正常。

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出的ami/hdb3編譯碼電路實(shí)現(xiàn)方法經(jīng)實(shí)際硬件電路測(cè)試，信號(hào)波形、頻譜符合理論分析，同時(shí)給出的兩種產(chǎn)生ami/hdb3碼的方法，既可滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象觀察，便于加深對(duì)信道編譯碼原理的理解，也可滿足實(shí)際的通信系統(tǒng)傳輸要求，可進(jìn)一步用于e1系統(tǒng)pcm語(yǔ)音編碼后的信道編碼中，具有很實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。