（信号与信息处理专业论文）基于hdb3编码的长线传输信号失真的矫正算法研究.pdf

基于h d b 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 摘要 在无中继长线传输中会出现信宿端信号严重失真的现象，对失真信号进行矫 正是无中继长线传输系统中的重要一环。本文以“6 0 0 0 米海底有缆观测与采样 系统- _ 电视抓斗”为研究背景，主要任务是针对万米同轴电缆的输出失真信号 波形，根据h o b 3 编码信号的特性，提出一种实时矫正算法，并实现矫正器。 长线的传输特性等同于低通滤波器，所以信宿端的信号失真矫正器应当是其 传递函数与长线的传输特性相反的高通滤波器，设计这样个高通滤波器是很困 难的。 本文避开传统上的滤波器思路，直接针对h d b 3 编码信号的失真波形进行矫 正算法设计。比较了多种矫正方法之间的优劣，其中门限法是抽样判决中的基本 方法，对于峰值特征明显的信号可以方便的做出识别，融合步长因素的拐点法能 够体现出失真波形本身的起伏特性，通过比较拐点数目的多少，就可以识别出不 同的码元。运用h d b 3 编码规律进行码元检测时，被误判的码元将会影响后续码 元的识别，产生错误累积效应，通过在先进先出队列中将数据流分割成若干小段 的方式，就能够将错误累积限制在小范围内，实现码元的有效判决。在讨论多种 矫正方法有效结合的基础之上，提出了一种综合矫正算法，这种算法以拐点法为 主体并吸收采纳了门限法与步长法的优点，对已经判决过的码元，运用h d b 3 编 码规律进行检测，纠e 误码。整个算法在m a t l a b 环境下仿真并且验证了有效性。 最后通过c p u 、d s p 及f p g a 做信号处理器的比较，本文重点讨论了在f p g a 上实现综合矫正算法的方式，并且结合低阶高通滤波器，给出了针对无中继长线 传输h d b 3 编码失真信号的软硬件相结合的矫正方案。 关键词：基带传输系统信号失真矫正h d b 3 编码 t h er e s e a r c ha b o u tr e c t i f i c a t i o na i g o r i t h mo fh d b 3 s i g n a is o nt h el o n gii r et r a n s m is s i o ns y s t e m s a b s t r a c t t h es i g n a l sh i g l lf r e q u e n c yp a r ta t t e n u a t e ss e r i o u s l yo nt h er e c e i v e ro ft h e n o n r e p e a t e rl o n gl i n et r a n s m i s s i o ns y s t e m s s ot h a ts i g n a lr e c t i f i c a t i o ni sn e c e s s a r yt o t h en o n - r e p e a t e rl o n gl i n et r a n s m i s s i o ns y s t e m s t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h i st h e s i si so b s e r v a t i o na n ds a m p l i n gc a b l es y s t e m o f t h es e a b e d6 0 0 0m e t e r sd e e p ，t e l e v i s i o n 掣a bb u c k e t t h em a i nt a s ko f t l l i sp 印e ri s t os e tu par e a lt i m er e c t i f i c a t i o na l g o r i t h m ，i nt h el i 曲to ft h ew a v e so ft h ed i s t o r t e d h d b 3s i g n a l sw h i c ha r et r a n s f e r r e d 丘o mam y r i a m e t e rc o a x i a l c a b l ea n dt h e c h a r a c t e ro f h d b 3c o d i n gs i g n a l s t h ec h a r a c t e r so f i o n gi i n et r a n s m i s s i o ni se q u a lt o l o w p a s sf i l t e r , s ot h er e c t i f i e rt ot h eh d b 3s i g n a l si sah i g h p a s sf i l t e r , a n dt h et r a n s f o r f u n c t i o no ft h i sh i g h p a s sf i l t e ri sr e v e r s et ot h ec h a r a c t e ro fl o n gl i n et r a n s m i s s i o n b u tt od e s i g ns u c ha h i g h p a s sf i l t e ri sd i 伍c u l t t h i sp a p e ri st od e s i g nar e c t i f i c a t i o na l g o r i t h md i r e c t l y , a v o i d i n gt h ef i l t e ra n d a c c o r d i n gt ot h ed i s t o n e dw a v e so ft h eh d b 3c o d i n gs i g n a l s s e v e r a lr e c t i f i c a t i o n m e t h o d sa r ec o m p a r e dt os h o wt h e i ra d v a n t a g e s 丑1 r e s h o l dm e t h o di st h eb a s i co n eo f t h es a m p l i n gd e c i s i o n i tc a nc o n v e n i e n t l yi d e n t i f yt h es i g n a l sw i t hd i s t i n c tp e a kv a l u e ， i n f l e x i o nm e t h o df u s e dw i t hp a c ef a c t o rc a nr e p r e s e n t st h ew a v ec h a r a c t e ro ft h e d i s t o r t e ds i g n a l s c o m p a r i n gt h en u m b e r so fi t sj n f l e x i o nc a ni d e n t i f yd i f i e r e n t s y m b o l s w h e nt h es y m b o l s a r ed e t e c t i n gb yt h eh d b 3 c o d i n gr u l e s t h e e r r o r - d e c i s i o ns y m b o l sw i l li n f l u e n c et h ef o l l o ws y m b o l s i d e n t i f i c a t i o n t h ee r r o r a c c u m u l a t i o ne f f e c tc o m e sf o r t h b yd i v i d i n gt h eh d b 3d a t af l o wi n t os o m es m a l l s e c t s ，t h ee r r o ra c c u m u l a t i o ne f f e c tw i l lb ec o n t r o l l e da te a c hs m a l ls e c t ，s y m b o l s e f f e c t i v ed e c i s i o nw i l lb er e a l i z e d as y n t h e t i cr e c t i f i c a t i o na l g o r i t b 盟i sp r o p o s e dh y t h ed i s c u s s i o no fe f f e c t i v ei n t e g r a t i o nt ot h es e v e r a lr e c t i f i c a t i o nm e t h o d s i nt h i s a l g o r i t h m ，i n f i e x i o nm e t h o df u s e dw i t ht h es u p e r i o r i t i e so ft h r e s h o l dm e t h o da n dp a c e m e t h o di st h em a i np a r t t h ed e c i d e ds y m b o l sa r ed e t e c t e da n dt h ee r r o r - d e c i s i o n s y m b o l sw i l lb ec o r r e c t e db yt h eh d b 3c o d i n gr o l e s t h ee n t i r ea l g o r i t h m i s s i m u l a t e da n di t se f f i c i e n c yi sv a l i d a t e di nt h em a t l a be n v i r o n m e n t a tl a s t ，b a s e do nt h ec o m p a r i s o no fc p u ，d s pa n df p g a ，t h i sp a p c rp u t s e m p h a s i so nt h er e s e a r c ha b o u tt h em e t h o do ft h es y n t h e t i cr e c t i f i c a t i o na l g o r i t h mo n t h ef p g a t h r o u g hf h ei n t e g r a t i o nb e t w e e ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e a c c o r d i n gt ot h e l o w l e v e lh i g h p a s sf i l t e r , ar e c t i f i c a t i o np r o j e c to ft h ed i s t o r t e dh d b 3c o d i n gs i g n a l s o nt h en o n r e p e a t e rl o n gl i n et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，i sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：b a s eb a n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ss i g n a ld i s t o r t i o n r e c t i f i c a t i o nh d b 3 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ! 洼；翅遗直基丝噩蔓挂型直盟 的：查拦旦窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：钏巷 签字日期：知d 锌岁月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 钏超 导师签字李以 签字日期：砷6 年占月芴日签字日期：石年f 月，6 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 基于h d 8 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 0 前言 0 1 课题背景 目前，在海洋矿产资源开发中，最有经济意义、最具发展前景和高技术含量 最多的，是海洋油气资源、大洋锰结核、热液沉积矿床和富钴结壳等矿物资源。 这些重要的海洋矿产资源，除海洋油气资源是埋藏地下外，锰结核矿物资源、热 液沉积矿床和富钴结壳等矿产都附着在深海海床上。为进一步开展对海洋矿产资 源，尤其是深海矿产资源的调查工作，深海探测技术和样品采集技术成为优先解 决的课题。 为有效获取海底矿床样品，国际上目前主要应用两种先进的采样技术，其一 是借助载人水下潜器( h u v ) 上机械手技术，通过潜器耐压仓体内驾驶员的实地 观察和遥控操作，实现有选择性和目的性的采样：其二是基于视觉图像的抓斗系 统一电视抓斗( g t v ) 技术，该技术依靠船舶的动力定位技术，通过绞车装载的 铠装电缆系载电视抓斗下放至距离海底一定高度( 通常为3 5 m ) ，船只经缓慢 移动，通过其携带的水下电视摄像机，观察海底矿产的露头分布情况，并控制抓 斗降落，实现矿样的采集。 为满足“十五”期间大洋矿产资源调查的采样技术需要，并着眼于未来的技 术需求，我国非常有必要跟踪国际深海技术前沿，研制具有自主知识产权的深海 定点观察与采样技术，国家“十五”8 6 3 计划中己列入了相关内容的课题。 课题来源于“十五”8 6 3 计划“6 0 0 0 米海底有缆观测与采样系统电视抓 斗的研制”，整个电视抓斗系统由抓斗、液压和电源系统、水下电视、机架和甲 板控制单元组成，采用数字基带传输方式。“大洋一号”海洋科学调查船已装备 一根1 0 0 0 0 米铠装同轴电缆，特征阻抗约为5 5 欧姆，用于各种水下设备的拖曳。 水下c c d 摄像系统输出的数字图像视频信号通过这根同轴电缆传输至甲板上的 图像接收系统并显示。 在基带传输系统中，数字信号通过长线传输之后，所发生的严重失真会使信 宿端的解码器无法正常解码。如果可以在长线中分段插入中继器，及时矫正失真， 则能够保证解码器的正常工作。但在铠装同轴电缆长线传输时无法使用中继器， 只能在信宿端对严重失真的信号进行矫正。由于信号严重失真，矫正器成为无中 继长线传输系统中的重要一环。 本文根据长线传输h d b 3 编码信号和信宿端失真信号的特点，提出一种有别 于滤波器设计的信号失真矫正算法。首先对信宿端的失真信号放大后进行a d 转 基于h o b 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 换，然后利用该算法对其进行矫正，得到的输出即为可以送往解码器进行解码的 h d b 3 编码信号。这对于能否成功传输海底图像，能否顺利完成海底矿石采样这 一海上考察工作都具有积极的意义。 卜、 凡 、 艮 秽 h m h 2 ) 图0 1 高频分量衰减频谱 0 2 本课题的主要任务及其安- h 本课题的主要任务是根据长线传输h d b 。编码信号和信宿端失真信号的特点， 提出一种有别于滤波器设计的信号失真矫正算法。在m a t l a b 环境下进行算法仿 真分析，并提出硬件实现方案。论文组织如下：第一章，介绍了数字基带系统的 基本矫正原理和同轴电缆；第二章，介绍了数字基带传输系统的几种常用传输码 型，重点分析了h d b 3 码的编码规律，并且给出了其编码规律的检测流程；第三 章，通过对h d b 3 编码信号的失真波形分析，讨论了常用的矫正方法：门限法、 步长法和拐点法，重点分析了它们的优缺点，并指出拐点法是门限法和步长法的 有效结合方法；第四章，分析了应用h d b 3 编码规律进行判决时，错误累积效应 的产生原因并提出解决方法，重点讨论了多种矫正方案的有效结合问题，在此基 础上，设计出一种综合矫正方案，并通过m a t l a b 环境下的仿真验证其有效性； 第五章，通过c p u 、d s p 及f p g a 做信号处理器的比较，重点讨论了在f p g a 上实 现综合矫正算法的方式，并且结合低阶高通滤波器1 ，给出了针对无中继长线传 输h d b 3 编码失真信号的软硬件相结合的矫正方案；第六章，本论文的总结和展 望。 基于h d b 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 1 数字基带传输系统与同轴电缆 1 1 数字基带传输系统 根据万米同轴电缆高频信号衰减严重的信道特性，比较适合使用数字基带传 输。所谓基带传输，就是使用原二进制电信号所固有的频率进行信号发送。从消 息传输的角度看一个数字通信系统的模型，它包括两个重要的变换，即消息与数 字基带信号之间的变换和数字基带信号与信道信号之间的变换。通常，前个变 换由收发终端设备来完成，它把无论是离散的还是连续的消息转换成数字基带信 号；而后一变换则由调制和解调器完成“”“。 然而，在数字通信中并非所有实际系统都经过以上两个变换过程，有些场合 可以不经过调制和解调过程而让基带信号直接进行传输。这种不使用调制和解调 装置而直接传送基带信号的系统，称为基带系统，它的基本结构如图1 1 ，这里， 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 通过的媒质：接受滤波器是用来接受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定与再生基带信号的。目前，虽然在实际使用 的数字通信系统中基带传输制不如频带传输制那样广泛，但是，对于基带传输系 统的研究仍然是十分有意义的。“。因为，第一，即使在频带传输制里也同样存在 基带传输问题，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；第 二，随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势；第三， 理论上可以证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效 的基带传输系统所替代。 基带脉 冲输入 1 2 同轴电缆 图l1基带传输系统的基本结构 基带脉 冲输出 现在已有的图像传输方案不外乎模拟视频信号传输和压缩数字信号传输两 种。因为模拟视频信号的彩色信息和图像细节都处于高频部分，如果直接放大传 输模拟视频信号，那么在甲板上的监视器显示的图像将会丧失彩色信息和细节 基于h d b 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 ( 高频) 部分，只能得到模糊的灰度图像。此外，和模拟视频信号同时传输的控 n 状态信号，也会对模拟视频信号产生干扰。这将更加不利于获得清晰稳定的 彩色图像信号。 鉴于上述原因，图像传输部分需采用数字传输方案。为了便于长距离传输， 选用的传输码型为h d b 3 码。由于1 0 0 0 0 米铠装同轴电缆的高频衰减特性，其传 输带宽有限，根据现场试验数据，应当将传输码流限制在1 m b p s 左右，所以必须 采用数字图像压缩解压缩技术来减少数据量。 1 3 数字基带信号的矫正原理 实际的基带传输系统也有缺点，就是不可能完全满足无码间串扰传输条件， 因而码间串扰是不可避免的。当串扰严重时，必须对系统的传输函数) 进行 校正，使其达到或接近无码间串扰要求的特性。理论和实践表明，在基带系统中 插入一种可调( 或不可调) 滤波器就可以补偿整个系统的幅频和相频特性，从而 减小码间串扰的影响。这个对系统矫正的过程称为均衡。实现均衡的滤波器称为 均衡器“2 “”1 。均衡分为频域均衡和时域均衡。 频域均衡是从频率响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满 足无失真传输条件，其基本思想是利用可调滤波器的频率特性去补偿系统的频率 特性。传统上，实现频域均衡的方法是利用多级级联的模拟滤波器，这种方法虽 能够实现矫正放大的功能，但是由于多级级联，容易产生自激，而且，这种设计 是通过不断尝试和调整来实现的，要完成一个实用的设计需要大量的时间和人 力。 时域均衡是直接从时间响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应 满足无码间串扰条件，是利用波形补偿的方法将失真的波形直接加以校正。实现 时域均衡的方法是利用在系统中插入一个由无限多的按横向排列的延时单元及 抽头系数组成的横向滤波器，利用它产生无限多响应波形之和，以消除在抽样时 刻上的码间干扰。但是滤波器的抽头数不仅受到具体实现的限制，并且滤波性能 还受每一系数调整准确度的限制。实际中，采用有限抽头数的横向滤波器，其码 间干扰就不可能完全消除，而且横向滤波器的抽头数越多，其设计的复杂程度亦 越高。 由于本文的研究对象是h d b 3 编码信号，从实测数据中发现尽管码元信号出 现失真，但失真波形中仍能明显地体现出其所携带的一1 、0 和+ 1 的信息，靠人 工判读方式就可以准确地识别出来。于是，本文避开滤波器设计的技术路线，直 接针对h d b 3 码信号的失真波形并且结合h d b 3 编码规则设计矫正算法，这样，可 以有效地降低矫正算法的复杂程度。 基于h d b 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 2 传输码型选择及其编码规律分析 2 1 传输码型选择 在数字基带传输系统中，不同的传输介质适宜传输不同码型的信号。如何选 择一种适合长距离同轴电缆使用的信号码型，首先需要明确码型选择的原则。 2 1 1 码型选择原则 选择传输码应依据以下原则”1 ： a 、尽量减小码型频谱中的高频分量。数字信号的高频分量越大，万米同轴 电缆的高频衰减也越严重。 b 、使得码型频谱中没有直流分量，而且低频分量尽量少。 c 、码流中应含有时钟频率分量，以便于接收端从码流中提取同步信息。 d 、码流中“l ”和“0 ”的统计概率应各占1 2 ，避免码流中出现长连“o ” 或长连“l ”。长“l ”或长“o ”会带来较多的直流分量，也不容易提取 出同步信号来。 e 、对噪声及码间干扰，应有一定的抗干扰能力。这样便于实时监测传输系 统信号的传输质量，有利于传输系统的维护与使用。 f 、码型变换设备应简单可靠。 2 1 2 几种常见的数字信号的码型 几种常见的数字信号的码型有： a 、n r z 码b 、单极性归零码c 、双极性非归零码d 、双极性归零码 e 、m a n c h e s t e r 码f 、a m i 码 g 、h d b 3 a 单极性非归零码( n r z 码) 用脉冲的有无来表示“1 ”或“o ”，占空比为1 0 0 n r z 码中不能提取同步信号，只适于极短距离传输 在传输时需要信道一端接地，不能用两根芯线均不接地的电缆传输 b 单极性归零码 与n r z 码不同的是，其脉冲宽度比码元宽度窄。由于脉冲宽度窄，使 得码元能量下降且占有更宽的频带；占空比为5 0 9 6 具有很高的直流和低频分量，但从中可以提取同步信息 可以作为其它码型提取同步信息时采取的一种过渡码型 基于h d b 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 c 双极性非归零码 正负脉冲的占空比均为1 0 0 如果“l ”和“0 ”等概率出现时，码流中无直流分量 可以在无接地的传输线路上传输；不能直接提取同步信息 d 双极性归零码 每一个码元被分成两个相等的间隔，“l ”码是在前一个间隔为正电平 而后一个间隔回到零电位，而“0 ”码则是在前一个间隔内为负电平而 后一个间隔回到零电位 发送端不必按固定的频率发送信号，接收端也不必提取同步信息 如果“1 ”和“0 ”不是等概率出现，码流中会有直流分量 e 曼彻斯特码( m a n c h e s t e r 码) 将每个码元划分成等宽的间隔：“l ”码前一个间隔为高电平而后一 个间隔为低电平：“0 ”码则正好相反，从低电平变到高电平 由于每一个码元的正中间都出现一次电平转换，它可以实现自同步 m a n c h e s t e r 码完全消除了码型的直流分量，但传输效率减少了一半 f 信号交替反转码( a m i 码) “0 ”与零电平对应，而“1 ”则交替地与正负电平对应，占空比5 0 7 6 a m i 码实际上是用三种电平来表示二进制信号，又被称为伪三元码 a m i 码经过全波整流就可变为单极性归零码，从而可以提取时钟分量 具有一定检错能力，但码流中出现长连“0 ”时，提取同步信息困难 g 三阶高密度双极性码( h d b 3 码) h d b 3 码是a m i 码的改进，与a m i 码一样，也是“1 ”交替地变换为+ l 与一l 的占空比为5 0 7 6 的归零码 与a m i 码不同的是：h d b 3 码中的连“0 ”数被限制为小于或等于3 个 h d b 3 码的码流无直流分量，低频成分少，容易提取同步信息 h d b 3 码与a m i 码相比丧失了一定的检错能力，但与m a n c h e s t e r 码相 比效率提高一倍 为了进行长距离传输，应当选择码型频谱中直流分量、低频分量和高频分量 都尽量少的传输码型，理想的传输码型其能量谱应集中在码束附近。h d b 3 码在 几种基带传输码型中最接近于理想传输码型，其优点是码流中没有直流分量，而 且低频分量也很少，因此，本方案中的传输码型选用h d b 3 编码。 2 1 3h d b 3 编码规则及其实现 h d b 3 码是a m t 码的改进，与a m 码一样，也是“l ”交替地变换为+ 1 与一1 的占空比为5 0 的归零码。但与a m i 码不同的是：h d b 3 码中的连“0 ”数被限制 基于h d b 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 为小于或等于3 个，即使出现长连0 也能提取同步信息。h d b 3 码的编码规则 如下。1 ： ( 1 ) 检查数字序列中0 数目，当连“0 ”数目小于等于3 时，h o b 3 码就是 a m i 码，+ l 、1 交替： ( 2 ) 当出现3 个以上连“0 ”时，将每4 个连0 划作一小节，定义为b o o v ， 称为破坏节，其中v 称为破坏点，而b 称为调节点； ( 3 ) v 与前一相邻的1 ，极性相同，即破坏了“1 ”极性交替的规律；同 时v 还要满足k - - 1 、k 、k + 1 之间极性交替的规律，v 的取值可以 是+ l 或一1 ： b 作为调节点，可为0 或+ l 或一1 ，以使v 同时满足( 3 ) 中的两个要 求。 图示如下： 二进制数字序列： 妇1 分为破坏节： ，当v ，f i ： l 又当数字序列前一个1 为十1 时： i 又当数字序列前一个1 为一1 时： i 当v ，l _ + 1 1 又当数字序列前一个1 为十1d e , 、又当数字序列前个“1 ”为一1 时： 10 00 0 l 0 1 10 0 000 1 叵里习1 0 1 1 一1 + 100 + 1 - 10 + 1 - 100 0 1 十1000 + 1 - 10 + l 一10 00 - 1 1 叵里习- o1 - 叵雯 一1000 - 1 + 10 - 1 + 1000 + l + l - 100 - 1 + 10 一l + 1 0o0 + 1 1 ” l 01 0 + 1 0 + 1 0 1 ” 0 1 0 1 将视频编码输出的数据流变换为串行输出的h d b 3 码，通过e 1 接口变换器输 出。 e 1 信号是我国和欧洲国家电信传输网一次群使用的传输系统。e 1 信号由3 2 个6 4 k b p s 的p c m 话路经过时分复用形成。c c i t t 建议g 7 0 3 标准详细规定了h d b 3 码用于e l 信号的标准。 编码部分是根据h o b 3 码的编码规则把二进制码的数据信号编码成两路单极 性的h d b 3 码输出， n r z 图2 1 3 - 1h d b 3 码编码原理 码型反变换部分是码型变换部分的逆过程，比较简单。首先将单路双极性 圈 基于h d b 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 h d b 3 码流转换成正、负极性分开的两路单极性+ h d b 3 和一h d b 3 信号，然后根据h d b 3 码的特点检测出极性破坏点，即找出4 连零码中添加v 码的位置( 破坏点位置) ， 其次去掉添加的v 码，最后去掉4 连零码中添加的b 码以将其还原成单极性不归 零码。 时钟提取是译码的关键部分，原理是3 2 7 6 8 m h z 时钟提取两路h d b 3 单极 性码的上升沿，并形成宽度2 倍于3 2 7 6 8 m h z 时钟宽度的脉冲，然后用此脉冲复 位3 2 7 6 8 m h z 时钟的1 6 b i t 计数器，此计数器用于产生1 0 2 4 m h z 的时钟“m 1 。 h d b 3 图2 1 3 - 2h d b 3 码解码原理 2 2 4 基于h d b 3 编码的码元规律分析 h d b 3 码的特点是明显的，它除了保持a m i 码的优点外，还增加了使连0 串 减少到至多3 个的优点，而不管信息源的统计特性如何。这对于定时信号的恢复 是十分有利的，h d b 3 码是c c i t t 推荐使用的码之一。 在h d b 3 编码的码元序列中，码元+ 1 、一1 必然是交替出现的，有时是+ l 、 一1 交替，有时是一1 、+ 1 交替，在间隔的连零数目小于3 个的情况下，不可能 出现相邻的两个非零码元是同极性的情况。由于不可能出现4 个( 包括4 个) 以 上的连零串，这样可以根据h d b 3 码元串中，非零码元和连零串之间的约束关系， 设计出相应的检测判断方法。这种方法需要依据已经正确判决的h d b 3 码元序列 来检测判断新码元的极性。总结以卜规律可以得出如下榆测方案： 1 ) 读入已正确判决的h d b 3 码元序列数据n ； 2 ) 读入待判决的新h d b 3 码元，置于n 之后，并且向前进行检测判断： 3 ) 判断当前码元与前1 个相邻的非零码元的极性是否相同，是则执行4 ) ， 否则执行5 ) ： 4 ) 使这个码元的极性与前1 个相邻码元的极性相反，结束； 5 ) 当前码元与前1 个非零码元间隔1 个0 时，判断当前码元的极性是否与 其相同，是则执行6 ) ，否则执行7 ) ： 6 ) 使这个码元的极性与前1 个非零码元相反，结束； 7 ) 当前码元与前1 个非零码元间隔3 个0 时，判断当前码元的极性是否与 其相同，是则执行8 ) ，否则结束； 至三! ! 塑塑塑塑茎垡堡塑堕三叁塞塑堑里苎鎏堡窒 8 ) 使这个码元的极性与前1 个非零码元相同，结束。 其判决流程为图2 2 4 图2 2 4 h d b 3 编码规则判决流程 9 否 基于h d b 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 3h d b 3 编码失真信号的矫正算法 3 1 数据采集 为了在m a t l a b 平台上进行h d b 3 编码信号的失真矫正算法的研究，首先要获 得失真信号m m 州删。 在实验室中，用同轴电缆仿真线模拟i 0 0 0 0 米同轴电缆的传输特性。同轴电 缆仿真线的作用，是让h d b 3 码通过仿真线后的输出波形与通过实际同轴电缆后 输出的波形相同或者非常接近。将图像压缩编码信号经h d b 3 编码后送入同轴电 缆仿真线，码流为i m b p s ，由于同轴电缆的高频衰减特性，在其输出端出现的对 应h d b 3 码的信号波形产生了严重畸变。在同轴电缆仿真线的输出端，通过一个 采样周期为l u s ，每个周期采2 5 个点的采样器，连续记录下h d b 3 码对应的波形 采样值并生成多个文本文件。 3 2 矫正算法研究 3 2 ih d b 3 编码失真信号波形分析 在m a t l a b 环境下使用文件操作命令读入数据文件，使用m a t l a b 画图命令可 以得到失真信号的波形图“”，图3 2 1 一i 所示为一段失真信号的波形图。 蠢毒 -1 墨习 量 i程。 n 一- 曩_ 蠹。 雾 落j一tl一 委习 趟叠，。 鹱蕊 雾 雾 谬 棼 强良 1 一： ；： i ： f j￥ ： ：i 越 撂 i 0 5 1 口1 5 2 02 53 03 54 04 5 5 0 图3 2 卜ih d b 3 编码失真信号波形 其中的“木”之间的点表示一个码元周期内的采样点。通过观察可以发现失 1 0 2 5 1 5 口 5 1 5 2 5 1 0 0 1 2 墨i 唑! 塑里塑茎垡堡塑笪三查塞塑堑垩蔓鎏堡窒 真码元波形存在特点： 图3 2 1 2 典型的码元一1 波形 弋 _ 飞 、 1 x 图3 2 卜4 码元0 近似单调波形 f r7 。1 弋 i ， 1 、 一 弋。n 旷v “ 图3 2 1 5 码元0 近似抛物线波形 a 、虽然能够满足极值要求( 即极大值大于i 2 v ，极小值小于一1 2 v ) ，但 是该码元整体波形的凹凸程度不明显，比较接近单调波形，这样的码元 基于h d b 3 编码的长线传输信号失翼的矫正算法研究 经过一定的算法判决也可以被断定为0 ，如图3 2 卜3 和图3 2 卜4 ： b 、某些不满足极值要求( 即极大值大于1 2 v ，极小值小于一1 2 v ) 的+ 1 、 一1 码元与某些连零码元的凹凸程度相仿，仅仅通过极值的条件难以准 确地将其判断出来，还需要其他辅助的手段进一步识别。 c 、即使是失真的h d b 3 码元采样波形，仍然符合h d b 3 编码规则，仍旧反映 着h d b 3 码元序列中前后码元之间的约束关系，这种规律性也能够通过一 定的算法体现出来，以增强对h d b 3 失真码元的识别能力。 有明显上凸或是下凸波形并且其峰值达到一定值( 如极大值大于1 2 v ，极 小值小于一1 2 v ) 的码元可以准确地判定其为+ 1 或一1 ，如图3 2 卜1 和图 3 2 】一2 。 3 2 2 门限法 通过波形分析可以知道，某些码元+ l 、一t 的波形特性十分突出( 主要是 拐点的峰值) ，使用传统上抽样判决中的门限法就能够将它们准确地识别出来， 同时注意到某些边界峰值较大的码元0 也有可能被误判为码元+ 1 或一l ，于是 在门限法中加入对波形凹凸程度的判断，就可以将码元0 与其他码元区别开来。 设h d b 3 码元的n 个采样值序列分别是x 。，x ：，x ”x 。，门限法一的判 决过程如下1n 5 1 ： 1 ) 序列中的极值置，判断x ，是否大于等于1 2 v ，是则执行2 ) ，否则执5 ) ； 2 ) 判断下标i 是否为该序列的边界下标，是则执行9 ) ，否则执行3 ) ； 3 ) 判断该序列的波形是否向上凸，是则执行4 ) ，否则执行9 ) ； 4 ) 整个序列值置+ 1 ，结束： 5 ) 判断极值x ，是否小于等于一1 2 v ，是则执行6 ) ，否则执行9 ) ； 6 ) 判断下标是否为该序列的边界下标，是则执行9 ) ，否则执行7 ) ； 7 ) 判断该序列的波形是否向下凸，是则执行8 ) ，否则执行9 ) ： 8 ) 整个队列值置一1 ，结束： 9 ) 整个队列值置o ，结束。 门限法二的判决过程如下： 1 ) 求序列中的极大值x 与极小值x ，： 2 ) 判断下标i 和j 是否为该序列的边界下标，是则执行3 ) ，否则执4 ) ： 3 ) 整个序列值置0 ，结束； 4 ) 判断该序列波形是否向上凸，是则执行5 ) ，否则执行6 ) ； i 塑! ! 塑塑翌塑茎堡垡塑堕三叁塞塑堑垩簦鎏竺壅 5 ) 整个序列值置+ i ，结束： 6 ) 判断该序列波形是否向下凸，是则执行7 ) ，否则结束： 7 ) 整个序列值置一1 ，结束。 图3 22 - lf - 1 限法一 读入一组实验数 一 f 求出其中的极大值与极小值f 一 圆 图3 2 2 - 2 门限法二 1 3 鸯 基于h d b 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 3 2 3 步长法 门限法的基本原理只是依据了波形峰值这一比较突出的特点，没有体现出波 形整体的变化情况，然而在h i ) b 3 编码失真信号的采样序列中，各个采样值的大 小变化情况已经表现出了不同码元的特性，尤其是峰峰值或峰值与边界值之间的 差值，即步长，由失真波形图3 2 卜l 看出码元+ l 、一1 的步长要大于码元0 的步长。于是在门限法初步处理后，就可以应用步长法来解决码元0 的判决问题。 是 开始 读入一组实验数据 队列极大、极小值及其差值即步 步长 = a 队列值置1 一，极大值 0 ， 向上凸且不 弋乡 否否 队列值置。 否 极小值 ：a 泸 队列值置一l l 础 一 回 图3 2 3 步长法 设h d b 3 码元的n 个采样值序列分别是x ，z ：，x 。x 。，则步长法的判 决过程如下： 1 ) 求序列中的极大值彳，与极小值噩； 2 ) 求极大值与极小值的差值a ，即彳= 阻一小 基于h d b 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 3 ) 是否同时满足三个条件：极大值，0 ，波形向上凸，i 不是边界下标 是则执行9 ) ，否则执行4 ) ： 4 ) 是否同时满足三个条件：极小值x ，0 ，波形向下凸，j 不是边界下标 是则执行5 ) ，否则执行9 ) ； 5 ) 步长是否小于一定值，是则执行6 ) ，否则执行9 ) ； 6 ) 整个序列值置一1 ，结束： 7 ) 步长是否大于一定值，是则执行8 ) ，否则执行9 ) ； 8 ) 整个序列值置+ 1 ，结束： 9 ) 整个序列值置0 ，结束。 步长法的依据是码元波形本身起伏程度的大小的差异，这种差异能够体现出 码元+ 1 、一l 与码元0 之间的差别，步长的选择需要经过大量实验数据仿真测 试后，选择能够保证较高正确率的值。然而某些情况下单一的步长值无法适应不 断变化的h d b 3 码流，因为码流中存在各种各样地失真波形，它们地步长也是随 时间变化的，这样就可能出现这样一种情况：某一步长对于一部分数据能够很好 地进行判决，但是对于另外一部分数据就会出现很高的误判率。 3 2 4 拐点法 步长法虽然涉及到了失真波形本身的特性，但是只是依据了波形中位置比较 突出的显著点即极值点，而波形中其它点均被忽略。通过波形规律的分析已经发 现当码元o 的失真波形呈现出近似抛物线形的情况时，它与某些码元+ 1 、一1 的波形在整体起伏状况和起伏程度上也非常接近，达到了门限法和步长法所能够 识别的极限，此时，以上两种方法将不能较好的判决出码元0 与码元+ 1 、一l 。 但是通过波形规律的分析也能发现当码元0 与码元+ 1 、一l 波形相似程度 增加时，它们之间的另外一个差别却越来越明显，这就是码元o 波形中的拐点数 目要明显多于码元+ 1 、一1 波形中的拐点数目，即便当码元+ l 、一l 出现比较 多的拐点时，与它们波形相近的码元o 的拐点数目会更多。 于是对于呈现出近似抛物线波形的码元o 可以应用拐点法将其识别出来，设 h d b 3 码元的n 个采样值序列分别是鼻，爿。，当x ，z 。且 x 2 x 或x ，x 且x 十2 x 。时，说明出现拐点，拐点计数器加l 。 拐点法的判决过程如下： 1 ) 求序列极大值和极小值、步长： 基于h d b 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 是否为向上凸的拐点，是则执行4 ) ，否则执行3 ) ： 是否为向下凸的拐点，是则执行4 ) ，否则执行5 ) ； 拐点计数器加1 ，继续向下执行： 是否结束，是则执行6 ) ，否则返回2 ) ： 判断拐点计数器是否为l ，是则执行1 2 ) ，否则执行7 ) ； 是否同时满足两个条件：判断拐点计数器为l ，有两个等值的拐点 是则执行8 ) ，否则执行1 2 ) ； 拐点值是否大于o ，是则执行9 ) ，否则执行1 2 ) ； 步长是否大于一定值，是则执行1 0 ) ，否则执行1 1 ) ； 整个序列值置+ 1 ，结束： 整个序列值置一1 ，结束； 整个序列值置0 ，结束。 开始 读入一组实验数据 队列极大、极小值及其差值即步 是 望生盐擎塑窒量j丫否 是否 结束 是 图3 2 4 - l 拐点法 拐点法的基本原理是根据不同码元波形中拐点的数目多少来识别出相应的 码元，然而本算法所使用的实验数据中每个码元的采样点数是2 5 个，这样就必 幻”d d d 加u 屹 基于h d 8 3 编码的长线传输信号失真的矫正算法研究 然会出现单个码元波形内采样点值的频繁波动，尽管，这样的采样点值如实的反 映了失真波形的变化情况，却对于拐点法的判决十分不利。因为，这样即使是整 体上呈现出很强单调性的码元0 的波形，其拐点的数目也有可能与码元+ 1 、一l 的拐点数目相同甚至还会更多。据此进行判决时，拐点法将会失效。 由此可以看出，拐点法失效的主要原因在于采样点的数目过多。若在每个码 元的采样点序列中，有所取舍地选择适当数目的点，这些点既可以反映出码元波 形的特性，又可以减少拐点的总数，然后再应用拐点法就能够进行有效的识别。 设h d b 3 码元的n 个采样值序列分别是，x ：，托x 。，根据公式 n = 2 i 一1 ，则可以在2 5 个采样点中选出1 3 个采样点进行判决，如图3 2 4 2 所示： 图3 2 4 2 码元+ l 的2 5 点中取1 3 点的波形变化 图3 2 4 - 3 码元0 的2 5 点中取