摘 要
HDB3码是基带传输码型之一，因为它具有无直流分量、低频分量少、连0数不超过3个这些特点，所以有利于信号的恢复和检验，所以HDB3码被广泛应用到井下电缆遥传系统以及高速长距离书记通信中等。FPGA具有成本低、可靠性高、开发周期短、可重复编程等特点。利用EDA技术，可对其实现硬件设计软件化，加速了数字系统设计的效率，降低了设计成本。本文先对HDB3码，FPGA器件和EDA技术的发展背景进行简述。接着阐述EDA技术中常用的VHDL语言的发展与优点，并以VHDL为核心，简要说明硬件电路的设计的方法步骤。然后介绍HDB3码的编译码原理以及其特点。最后，对HDB3码的编译原理进行重点分析，并且以VHDL语言为主，分别对编码器部分和译码器部分的具体实现方法进行说明，给出具体设计的思考方案和程序流程图，并对设计方案进行软件仿真，同时给出仿真结果并对其进行分析，证明设计方案的正确性。最后，完成曼彻斯特码编码器与译码器的设计，进行对比学习。
关键词：HDB3码；FPGA；EDA;VHDL;曼彻斯特码；编译码
Abstract
HDB3 code is one of codes used in the transmission system. It has no DC components and a few of LF components. Moreover, it has continuous zeros no more than three. The features of HDB3 code help the signal to be rebuilt and be checked for error easily, so HDB3 code is the commonly used code in the transmission system. Low cost, dependability, short design cycle and repeated program ability are the features of FPGA. You can design hardware of digital circuits by using software as a result of using FPGA with EDA. It will construct the digital system quickly system quickly and reduce the cost of design.
This paper first introduces the development and background of HDB3.FPGA and EDA, and then expands VHDL. which is commonly used as design-entry language for EDA.A summary of digital circuits’ design by using VHDL is provided. Moreover, the principle and decoder is designed by using VHDL. Finally, the plan of design, the flow of software design and the simulated waveform of HDB3 encoder and decoder is presented, showing correctness of the design.Finally, the design of the encoder and decoder of the Manchester encoder and decoder is completed and compared with the study.
Keywords: HDB3 code; FPGA ; EDA ; VHDL; Manchester code; Encoder and Decoder
目录
第一章 概述 1
1.1 HDB3码的简述 1
1.2 FPGA简介 2
1.2.1 FPGA的发展历程 2
1.2.2 FPGA基本结构及其特点 3
1.3 EDA技术 4
1.4 VHDL硬件描述语言 4
1.4.1 简介 4
1.4.2 VHDL具有的特点 5
1.4.3 VHDL的优点 7
1.4.4 VHDL设计硬件电路的方法 7
第二章 HDB3码的编译规则 10
2.1主要的基带传输码型 10
2.1.1 NRZ码的编码规则 10
2.1.2 AMI码的编码规则 10
2.2 HDB3码的编码规则 11
2.3 HDB3码的译码规则 12
2.4 HDB3码的检错能力 12
第三章 HDB3编码器的FPGA实现 13
3.1 HDB3码编码器的实现分析 13
3.2 HDB3码编码器的设计思路 13
3.2.1 4连‘0’的检出加V及判‘1’极性 13
3.2.2 取代节的选取 13
3.3设计建模 14
3.3.1插“V”码模块设计及仿真 15
3.3.2插“B”码模块设计及仿真 17
3.3.3 HDB3编码器的极性转换模块设计及仿真 20
第四章 HDB3译码器的FPGA实现 24
4.1 译码器的实现分析 24
4.2 HDB3译码器的设计思路 24
4.3 V的检测 25
4.4 扣V扣B 25
4.5 设计建模 25
4.5.1扣V扣B的实现 26
4.6 软件仿真 26
第五章 结论 28
参考文献 29
附录 30
谢辞 38
基于FPGA的HDB3码编码器是一种利用现场可编程门阵列（FPGA）实现的数字信号处理技术，主要用于基带传输系统。HDB3码（High Density Bipolar with 3 consecutive zeros code），又称AMI-H code，是NRZ码（非归零码）和AMI码（Alternate Mark Inversion码）的改进版，它具有无直流分量、低频分量少且连续0的个数不超过3个的特性，这使得信号在传输过程中易于恢复和错误检测，适用于长距离通信和井下遥传系统。
FPGA因其低成本、高可靠性、短开发周期以及可重复编程的优势，成为实现这种编码器的理想选择。通过电子设计自动化（EDA）技术，可以将硬件设计转化为软件过程，提高了设计效率，降低了设计成本。VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）作为EDA中的常用硬件描述语言，具有描述层次高、可读性强、可移植性好等优点，是实现FPGA设计的关键。
在HDB3码的编译码原理中，编码器主要任务是确保输出码流中不会出现超过3个连续的0，当检测到4个连续的0时，会插入一个补充码（V码或B码）来保持码型特性。编码器的设计通常包括4连'0'的检测、V码插入以及码极性的转换。V码的插入是在连0序列中加入一个反相的1，而B码的插入是在连0序列的末尾加入一个正的1，以保持码流的平衡。
译码器则负责将接收到的HDB3码还原为原始数据。这个过程包括检测和去除V码、B码，以及恢复原始信号的极性。译码器需要能够准确识别并移除插入的补充码，同时处理可能存在的噪声和干扰，确保信息的准确传输。
在实际设计中，VHDL语言用于描述HDB3编码器和译码器的逻辑功能，通过编写VHDL代码，可以实现各个模块，如4连0检测、V码和B码插入模块、极性转换模块以及V码和B码的去除模块。设计完成后，会进行软件仿真，验证设计的功能正确性，通过观察和分析仿真波形来确认设计方案的有效性。
此外，本设计还包含了曼彻斯特码的编码器和译码器设计，曼彻斯特码是一种自同步码，常用于局域网通信，它的每个码元的中间都有一次电平翻转，便于接收端同步。通过对比HDB3码和曼彻斯特码的编译码实现，可以进一步加深对两种码型特性和应用的理解。
该设计通过FPGA实现了HDB3码的编码和解码功能，结合VHDL语言和EDA工具，提高了设计效率和系统的灵活性。通过仿真验证，确保了设计的正确性和可靠性，对于理解和应用基带传输码型以及FPGA技术具有重要的实践意义。
