毕业论文（毕业设计）基带传输系统设计与实现

XXXXXX学院毕业论文 摘 要数字通信系统中传输的对象是数字信号，它可能来自数字信号源，也可能来自数字电话的终端。这些数字信号往往包含很低的频率分量，甚至是直流分量。它所占用的频带称为基本频带，简称基带。传输基带信号的方法有两种：一种是直接传输基带信号，这种直接传输基带信号的传输系统称为基带传输系统。另一种方法是将基带信号经过适当变换后在进行传输。在基带信号的传输系统中，比较典型的传输码型有AMI、HDB3、CMI等，AMI是一个比较有代表性的码型。AMI码是一种三元码，信号交替反转码，主要由专用集成电路及与之相匹配的外围中小规模集成芯片来实现。采用的传输码形为AMI码，NRZ（不归零）码由移位寄存器和异或门搭建的m序列发生器产生。AMI码是将单极性脉冲中相邻的1码（即正脉冲码）变为极性交替的正负脉冲。0码保持不变，将1码变为+1和平-1交替的脉冲。在系统的传输和结构的复杂性的方面都有它的优点，所以，对于学生学习的阶段而言，在了解AMI码的相关知识的前提下，运用仿真软件设计一个AMI编译码的系统是具有实际的意义的。关键词：数字信号、基带传输、AMI码型、编码。 AbstractDigital communication system is transmitted digital signal, which may come from digital signal source, but also likely to come from the digital telephone terminals. These digital signals tend to contain low frequency components, or even DC. It is called the fundamental frequency band occupied band, or baseband. Base-band signal transmission method, there are two: one is the direct transmission base-band signal, the direct transmission base-band signal transmission system known as the base-band transmission system. Another method is to base-band signal after the appropriate transformation in post-transmission. In the base-band signal transmission system, the more typical type of transmission code AMI, HDB3, CMI, etc., AMI is a more representative type of code.AMI code is a ternary code, the turn signal inversion code, mainly by the application specific integrated circuit and to match the size of the periphery of small and medium-sized chip to achieve. Shape of the transmission code used for the AMI code, NRZ (non-zero) code from the shift register and XOR gate structures of the m sequence generator. AMI is a unipolar code pulses in the adjacent one yards (that is, positive pulse code) into the turn of the positive and negative polarity pulse. 0 yards remain unchanged, +1 will be a peaceful one yards into the turn of the pulse -1. Transmission in the system and structure of the complex nature of the area has its own advantages, so the stage for student learning, in understanding of relevant knowledge AMI code, under the premise of using simulation software to design a system codec is AMI practical significance.Key words: digital signals, baseband transmission, AMI type code, coding. 目 录中文摘要 0英文摘要 . 11 前言32 系统模型32.1 基带传输系统32.2 AMI 编译码系统总体电路43设计思路及工作原理63.1 AMI码型63.2 AMI码型实现原理73.2.1 NRZ与RZ信号的转换73.2.2 归零信号的分路103.2.3 NRZ分路信号转化成RZ分路信号123.2.4 AMI码输出134 AMI编码系统144.1 AMI码Mulltisim10仿真过程144.2 结果分析174.3 调试过程问题与解决方法17 4.4 AMI译码电路.195 心得体会206 致谢.20参考文献211 前言在数字通信系统中传输的对象是数字信号，它可能来自数字信号源，也可能来自数字电话的终端。这些数字信号往往包含很低的频率分量，甚至是直流分量。它所占用的频带称为基本频带，简称基带。传输基带信号的方法有两种：一种是直接传输基带信号，这种直接传输基带信号的传输系统称为基带传输系统。另一种方法是将基带信号经过适当变换后在进行传输。就目前数字通信系统的形势来看，基带传输用的较少，但对于基带传输的研究仍然是十分有意义的。这是因为，第一，基带传输包含着数字通信系统的许多基本问题，频带传输是基带信号调制后再传输的，因此，频带传输也存在着基带传输的问题；第二，利用有线信道构成的近程数字通信系统中广泛采用这种传输方式；第三，如果把调制于解调看成是广义信道的一部分，则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统，理论上也可以证明，任何一个采用线性调制的频带调制系统，总是可以由一个等效的基带传输系统代替。在基带信号的传输系统中，比较典型的传输码型有AMI、HDB3、CMI等，AMI是一个比较有代表性的码型。在系统的传输和结构的复杂性的方面都有它的优点，所以，对于学生学习的阶段而言，在了解AMI码的相关知识的前提下，运用仿真软件设计一个AMI编译码的系统是具有实际的意义的。2 系统模型2.1 基带传输系统基带信号的传输系统没有调制与解调，所以系统的结构就比较简单，基带传输系统框图如图2.1所示，该结构有信道信号形成器，信道，接收滤波器以及抽样判决器组成。这里的信道信号形成器用来产生适合于信道传输的基带信号，信道可以是允许基带信号通过的媒介；接收滤波器用来接收信号和尽可能排除信道噪声和其他干扰，抽样判决器则是在噪声背景下用来判断与再生基带信号。图 2.1 基带传输系统框图2.2 AMI 编译码系统总体电路 系统的工作原理框图如图2.2所示，系统分为发送、接收和同步三部分，发送部分完成的是将NRZ信号编码成AMI信号，接收部分将AMI信号还原成NRZ信号，同步用来提取发送到接收端的同步脉冲，用以正确还原信号，在本系统中，我们采用的是的直接法中的滤波法，主要的核心是窄带滤波器的设计，AMI编译码系统的具体电路实现如图2.3所示。图2.2 AMI编译码系统框图在图2.3中的总体系统电路图中，上面的一部分为系统的发送端，其中最顶端的为一个数字信号发生器，产生一个随机的非归零信号。发送端主要由JK触发器，与门和减法器来实现功能。图中的两个放大器实现信道衰减20dB的要求，中间的一部分为接收部分，主要是有两个二极管、减法器和限幅器组成，最下面的一部分为位同步信号的提取电路，核心单元为一窄带滤波器，其输出信号为一正弦波，频率为输入信号的频率，经过一个过零比较器将正弦波转换成方波，最后用D触发器组成一移相器对位同步信号移相，最后将位同步信号与接收端整流、相减、限幅和放大后经过D触发器最终还原信号。图2.3 AMI编译码系统电路图3设计思路及工作原理3.1 AMI码型AMI 码的全称是传号交替反转码。这是一种将消息代码0（空号）和1（传号）按如下规则进行编码的码：代码的0 仍变换为传输码的0，而把代码中的1 交替地变换为传输码的+1、1、+1、1由于AMI 码的传号交替反转，故由它决定的基带信号将出现正负脉冲交替，而0 电位保持不变的规律。由此看出，这种基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分，因而它特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输。由AMI 码的编码规则看出，它已从一个二进制符号序列变成了一个三进制符号序列，即把一个二进制符号变换成一个三进制符号。把一个二进制符号变换成一个三进制符号所构成的码称为1B/1T 码型。AMI 码对应的波形是占空比为0.5 的双极性归零码，即脉冲宽度与码元宽度（码元周期、码元间隔）TS 的关系是=0.5TS。AMI 码除有上述特点外，还有编译码电路简单及便于观察误码情况等优点，它是一种基本的线路码，并得到广泛采用。但是，AMI 码有一个重要缺点，即接收端从该信号中来获取定时信息时，由于它可能出现长的连0 串，因而会造成提取定时信号的困难。为了保持AMI 码的优点而克服其缺点，人们提出了许多种类的改进AMI 码，HDB3 码就是其中有代表性的一种。设信息码为0011011011101，则NRZ 码、AMI 码如图3.1 所示。0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1(a) NRZ代码及波形 0 0 +1 -1 0 +1 -1 0 +1 -1 +1 0 -1（b）AMI代码及波形图3.1 AMI码变换3.2 AMI码型实现原理3.2.1 NRZ与RZ信号的转换AMI码型的实现首先要将非归零信号转换成归零信号，要想从单极性不归零信号获得归零信号只要用一个与门就可以实现，如图3.2(a)所示，与门的两个输入端分别为a和b，a为输入的待变换的信号，码元宽度为Ts，b为以Ts为周期的定时脉冲。在收端要使归零信号还原成归零信号，则可以让归零信号经过一个D触发器便可以获得，如图3.2(b)所示。图中加在D触发器的时钟信号就是位定时脉冲，由于D触发器一般多利用时钟的前沿来触发，故应让加至D触发器的归零信号c比定时脉冲略有超前，得到的就是非归零信号。（a） RNZ码 转RZ码 （b）RZ码转RNZ码(c) NRZ信号(d) 脉冲信号（e）RZ信号图3.2 NRZ与RZ信号的转换边沿D 触发器:负跳沿触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。如果在CP 高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。而边沿触发器允许在CP 触发沿来到前一瞬间加入输入信号。这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。边沿D触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。电路结构: 该触发器由6个与非门组成，其中G1和G2构成基本RS触发器工作原理:SD 和RD 接至基本RS 触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q=0，即触发器置1；当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。我们设它们均已加入了高电平，不影响电路的工作。工作过程如下：1.CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5=D。2.当CP由0变1时触发器翻转。这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。3.触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。这是因为G3和G4打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的,即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁，即封锁了D通往基本RS 触发器的路径；该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用,故该反馈线称为置0维持线,置1阻塞线。Q4为0时，将G3和G6封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。Q4输出端至G6反馈线起到使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线；Q4输出至G3输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用,称为置0阻塞线。因此，该触发器常称为维持-阻塞触发器。总之，该触发器是在CP正跳沿前接受输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。与主从触发器相比,同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。功能描述1.状态转移真值表2.特征方程 Qn+1=D3.状态转移图3.2.2 归零信号的分路 单极性的归零信号变成AMI码，只需要将单极性脉冲的“1”的正极性脉冲分成奇偶两路，再进行相减即可。将单极性归零脉冲首先从触发器的一个输入端输入，另一端加入一与输入信号同频率的方波脉冲信号作为触发器的CP信号。则在触发器的的两个输出端可以得原输入归零信号经过触发器的奇偶两路归零信号其对应的波形特征为一路是输入信号的奇数序号高电平，另一路是偶数序号高电平，其原理图与相应的波形如图3.3所示。(a) 归零信号分路(b) 输入RZ信号(c) CP脉冲信号(d) 奇路信号输出(e) 偶路信号输出图 3.3 归零信号的分路器件及波形主从JK 触发器是在主从RS触发器的基础上组成的，如下图所示。 在主从RS触发器的R端和S端分别增加一个两输入端的与门G11和G10，将Q端和输入端经与门输出为原S端，输入端称为J端，将Q端与输入端经与门输出为原R端，输入端称为K端。 主从JK触发器由上面的电路可得到S=JQ,R=KQ。代入主从RS触发器的特征方程得到: 当 J=1，K=0时，Qn+1=1；J=0，K=1时，Qn+1=0；J=K=0时，Qn+1=Qn；J=K=1时，Qn+1=Qn；由以上分析，主从JK 触发器没有约束条件。在J=K=1时,每输入一个时钟脉冲，触发器翻转一次。触发器的这种工作状态称为计数状态，由触发器翻转的次数可以计算出输入时钟脉冲的个数。 状态转换图： 3.2.3 NRZ分路信号转化成RZ分路信号 通过触发器输出的信号为两路非归零的支路信号，现在要做的事情就是将两路非归零信号转化成归零信号，转化的信号刚好是输入端归零信号的奇数序号高电平和偶数序号高电平，输出的两路信号也为归零信号，其中转化中主要的控制信号是输入非归零信号转化成的归零信号，运用的逻辑电路主要器件由与门来实现，其原理电路图如图3.4 (a)所示，两与门有一路公共的RZ信号输入端，由输入信号转化成的归零信号提供，与门的另外一输入端信号由触发器输出的两路奇偶非归零信号提供。对应的归零信号如图3.4(b)和(c)所示。(a) NRZ 转化为RZ电路 (b) 奇路归零信号(c) 偶路归零信号图3.4 非归零分路信号转化成归零分路信号3.2.4 AMI码输出当两路归零信号由两与门输出后，奇偶高电平也完成了分离，现在要解决的唯一问题就是怎样实现“+1”电平变为“-1”电平，比较两路归零信号的时序波形可以发现，奇路信号高电平对应的时序在偶路信号中为“0”电平，在偶路信号中的高电平对应的时序在奇路信号中为“0”电平，发现以上的规律，我们就可以想到用减法器将两路信号信号相减就可以得到我们需要的码型AMI码。对于减法器的原理我们在模拟电子技术中已经充分了解，这里不再赘述，对于该电路，为了使输入的信号和输出信号的幅度比例值为1，在此我们取减法器的的四个电阻的阻值大小相等，均为1000欧姆，对应的电路原理图和输出波形如图3.5所示。(a) AMI码形成(b) AMI输出波形 图3.5 AMI码输出原理及框图4 AMI编译码系统4.1 AMI码Mulltisim10仿真过程根据上面的分析，将各模块运用相应的器件就可以进行实现，NRZ转换成RZ用与门，信号的分路用JK触发器，用两个与门对分路信号和输入信号的归零信号进行相与，输出为两路分离的归零信号，将得到的信号用一减法电路进行相减，理论上就可以运用Mulltisim10、quartus II等软件进行仿真，就可以在最后的输出端输出一AMI码的波形。图4.1 AMI编码系统对应的电路图如图4.1所示，其中a端为非归零信号的输入，h端为AMI码的输出，在输入端的与门当中，b输入的为一个与输入非归零信号同频率的方波信号，用来将输入的非归零信号转换成归零信号。在c点输出的就为一个与输入信号对应的归零信号，该信号作为JK触发器的J和K的输入端，此时JK触发器实际相当于一个T触发器，由于JK触发器是下降沿触发的，所以将输入的方波信号反相作为触发器的脉冲信号，在JK触发器的输出端就会输出分离的来年公路信号，再经过与门得到归零信号，到最后就两路信号相减就得到了AMI码型。由于在实际的仿真过程中并没有考虑元器件和系统内部的一些相互影响，所以可能输出波形有噪声影响，实际的仿真时就出现了该现象，在输出的AMI码波形当中总有一些毛刺出现，了解毛刺出现的原因之后，就可以作出相应的对策，所以在减法器的后面，为了消除在该系统中存在的竞争冒险，增加一个RC回路，用来消除毛刺。具体电路如图4.1所示。对图4.1的电路输入信号进行测试，用数字信号发生器（Word Generator）循环输出“0”“1”的字符串。输入的信号为一个随机的非归零信号，频率可以自己设定，但是方波发生器的频率也应该和输入的非归零信号的频率一样，否则就会产生错误。在此我们随机的输入一个非归零的信号，例如输入011010011，对应的波形可从逻辑分析器（Logic Analyzer）看出。对应的Mulltisim10仿真波形如图4.2所示。图4.2 输入信号仿真波形在电路加入输入信号后，可以对比图4.1中各点的信号波形，看出AMI码型出现的过程，如图4.3所示，ag的波形在逻辑分析器中依次从上到下。第一路信号为输入信号，第二路信号为与输入信号同一频率的的方波，第三路信号为第一路信号和第二路信号相与得到的，也就是将非归零信号转换成归零信号。第四和第五路信号就是触发器的两个输出端的信号，两路信号刚好反相，第六路信号由第一路信号与第四路信号信号相与得到，第七路信号为第一路信号与第五路信号相与得到。图4.3 系统各点对应波形图将f和g的信号，也就是图4.3中的第六与第七路信号通过一减法器就可以得到AMI信号的波形，从图4.1的h端输出，我们可以将输入的信号和最终输出信号在仿真软件中同一示波器下观察两路信号，从两路信号的对比中我们可以检验出编码系统的正确与否，输入的波形和最终输出的AMI波形如图4.4所示图4.4 系统输入与输出波形4.2 结果分析为检验系统的正确性与精确性，我们可以将理想情况下的输出AMI的时序图与设计的系统实际输出的信号进行对比。在已知输入波形的情况下，将理想情况下的AMI波形与Mulltisim10仿真的AMI波形进行比较，波形比较如图4.5所示 (a) 输入信号(b)理想输出波形(c) 实际输出波形图4.5 结果输出比较由上图的比较结果可以看出，实际的输出图形与理想情况的输出波形只有时间上的一个延时，其他的特性均相同，延时对于一个通信系统而言是比较正常的现象，不是什么错误，实际输出波形与理想波形的频率、幅度、相位都是一致的，即不存在失真现象，所以可以看出，仿真的结果正确，达到了编码的目的。4.3 调试过程问题与解决方法在系统的调试当中，一步一步的查看各级的波形特征，在减法器的输出端输出的AMI码始终存在毛刺信号，思索半天没想出是什么原因，经过相关的查阅和老师的辅导，知道在系统中存在竞争冒险，导致输出的波形当中有毛刺出现。信号通过连线和逻辑单元时，都有一定的延时。延时的大小与连线的长短和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。信号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由于存在这两方面因素，多路信号的电平值发生变化时，在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出有先后顺序，并不是同时变化,往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为毛刺。如果一个组合逻辑电路中有毛刺出现，就说明该电路存在冒险。在该系统中，输入信号与出现竞争冒险对应的输出波形在EWB示波器中观察如图4.6所示。解决系统中竞争冒险方法比较多，结合本系统的特点，解决的办法就是在输出端增加一个RC回路，使毛刺信号滤除。其中电阻的参数在2000欧左右，电容参数在几百皮法，经过调试参数，得出理想的输出波形，具有竞争冒险的输出信号与输出的理想信号的比较如图4.7所示。由图可以看出，输出的波形接近完美，所以对于噪声的消除是成功的。图4.6 具有竞争冒险的AMI输出图4.7 信号输出比较图形4.4 AMI译码电路 图4.8 AMI译码系统对应的电路图如图4.8所示，一部分为位同步信号的提取电路