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1、 中国地质大学长城学院 本 科 课 程 设 计 题 目:HDB3码程序设计 系 别信息工程学院学生姓名王涛专 业电子信息工程学 号044130113指导教师路静职 称讲师2016年 06 月 21 日HDB3码程序设计摘 要数字信号的传输方式按其在传输中对应的信号的不同可分为数字基带传输系统和数字频带传输系统。在数字通信中,选择合适在信道中传输的码型是十分重要的,常用的传输码型是AMI码，但当原信码出现长连“0”串时，信号的电平长时间不调变时，造成提取定时信号的困难。解决连“0”码问题的有效方法之一是采用HDB3码。HDB3码（三阶高密度码）是比较常用的信道传输码型, HDB3码具有较强的检错
2、能力，当数据序列用HDB3码传输时，若传输过程中出现单个误码，其极性交替变化规律将受到破坏，因而在接收端根据HDB3码这一独特规律特性，可检出错误并纠正错误，同时HDB3码方便提取位定时信息。关键词：三阶高密度码； 基带传输系统； 检错能力；目 录1绪 论11.1 设计的目的11.2 HDB3码简介12课题设计内容22.1数字基带信号码型设计原则22.2HDB3码编码原理22.3HDB3码译码原理33课程设计目的与要求43.1课程设计的目的43.2课程设计的要求44设计原理及设计思路54.1总体方案设计54.2数字基带传输系统65 MATLAB仿真软件75.1 Matlab的优势和特点75.2
3、基本功能76系统软件设计96.1 程序流程及思路96.2 M文件调用函数106.3 M文件运行程序117运行效果图128总结13参考文献131绪 论1.1 设计的目的1、了解HDB3编码原理； 2、对HDB3编码进行仿真模型设计； 3、运用MATLAB软件或硬件描述语言对HDB3编码进行设计，并对各模块进行分析、仿真与验证； 4、要求有系统框图，电路原理图，软件流程图，模拟仿真结果图。 通过该课程设计，可以提高学生综合应用所学基础知识的能力和计算机编程的能力，为今后的学习和工作积累经验。1.2 HDB3码简介三阶高密度双极性码是一种适用于基带传输的编码方式，它是为了克服AMI码的缺点而出现的，
4、具有能量分散，抗破坏性强等特点。三阶高密度双极性码用于所有层次的欧洲E-carrier系统，HDB3码将4个连续的“0”位元取代成“000V”或“B00V”。这个做法可以确保连续的violations are of differing polarity，即是相隔单数的一般B记号。HDB3码的前身是AMI码，AMI码的全称是传号交替发转码，其编码规则是将消息码的“1”（传号）交替地变换为“+1”和“-1”，而“0”（空号）保持不变。AMI码对应的波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列。它可以看成是单极性波形的变形，即“0”仍对应零电平，而“1”交替对应正、负电平。AMI码的优点是没有直流成分，且
5、高、低频分量少，能量集中在频率为1/2码速处；编解码电路简单，且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况；如果它是AMI-RZ波形，接收后只要全波整流，就可变为单极性RZ波形，从中可以提取位定时分量。鉴于以上优点，AMI码成为较常用的传输码型之一。，但当原信码出现长连“0”串时，信号的电平长时间不调变时，造成提取定时信号的困难。所以这时就用到了HDB3码。2课题设计内容2.1数字基带信号码型设计原则 数字基带信号是数字信息的电脉冲表示，电脉冲的形式称为码型。通常把数字信息的电脉冲表示过程称为码型编码或码型变换。由码型还原为数字信息称为码型译码。 不同的码型具有不同的频域特性，合理的设计码型使之适
6、合于给定信息的传输特性，是基带传输首先要考虑的问题。通常，再设计数字基带信号码型时应考虑以下原则。 1.码型中低频，高频分量尽量少。 2.码型中应包含定是信息，以便定是提取。3.码型变换设备要定时可靠。 4.码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动检测。 5.编码方案对发送消息类型不应有任何限制，适合于所有二进制信号。这种与信源的统计特性无关的特性称为对信源具有透明性。 6.低误码增殖，误码增殖是指单个数字传输错误在接收端解码时，造成错误码元的平均个数增加。从传输质量要求出发，希望他越小越好。 7.高的编码效率。 8.以上几点并不是任何基带
7、传输码型均能完全满足的，常常是根据实际要求满足其中的一部分。 HDB3码是三元码，是把1位二进制信码变换成1位三电平均值的码。码型有无直流的特点，而且同步信息丰富。使用Matlab/Simulink仿真软件，设计所选择的基带传输的编码和译码系统。系统能根据随机信源输入的二进制信息序列给出对应的编码及译码结果，并以图形化的方式显示出波形，能观察各分系统的各级波形。 2.2HDB3码编码原理 HDB3码是三阶高密度双极性码，可看做AMI码的一种改进。使用这种码型的目的是解决源信码中出现连0串时所带来的问题，其编码原理是这样的：先把消息变成AMI码，然后检查AMI码的连0情况，如果没有3个以上的连0
8、串，那么这时的AMI码与HDB3码完全相同。当出现4个或4个以上的连0串时，则将4个连0串的第4个0变换成1码。这个由0码变换来的1码称为破坏脉冲，用符号V表示；而原来的二进制1码称为信码，用符号B表示。当信码序列中加入脉冲以后，信码B和破坏脉冲V的正负极性必须满足以下两个条件。 1.B码和V码各自都应始终保持极性交替变换的规律，以便确定输出码中没有直流成分。 2.V码必须与前一个信码同极性，以便和正常的AMI码区分开来。 但是当两个V码之间的信码B的数目是偶数时，以上两个条件就无法满足，此时应该把后面的那个V码所在的连0串中的第一个0变为补信码B，即4个连0串变为B00V,其中B的极性与前面
9、相邻的B码极性相反，V码的极性与B的极性相同。如果两V码之间的B码数目是奇数，就不再加补信码B。在接收端译码时，由两个相邻的同极性码找到破坏脉冲V，从V码开始向前连续4个码（包括V码）变为4连0经全波整流后可恢复原单极性码。 HDB3的优点是无直流成分，低频成分少，即使有长连0码时也能提取同步信息；缺点是编译码电路比较复杂。 2.3HDB3码译码原理 译码的关键是寻找破坏脉冲（V码）。若3连0的前后非零脉冲同极性，则后面的非零脉冲就是V码，将000V译为0000；若2连0的前后非零脉冲同极性，即为B00V形式，将其译为0000。然后，再将其余所有-1或+1译为1，即可恢复原来信码。HDB3码保
10、留了AMI码的优点，切实连0个数不超过4，有利于信息的提取。3课程设计目的与要求3.1课程设计的目的 课程设计是网络工程专业的实践性环节之一，是一门理论性和实践性都很强的、面向实际应用的课程。通过本课程的学习，学生应该掌握基本的通信设计方法，通过实践使学生明白通信过程中的相关HDB3的编码与译码原理，更加深入了解HDB3的编译码过程的实现。 3.2课程设计的要求 根据相关通信原理资料和课程讲解，综合MATLAB相关知识，设计仿真系统，使其能够实现HDB3的编码及译码功能。通过该课程设计，可以提高学生综合应用所学基础知识的能力和计算机编程的能力，为今后的学习和工作积累经验。4设计原理及设计思路4
11、.1总体方案设计在实际的传输系统中，并不是所有的代码电气波形都可以信道中传输。含有直流分量和较丰富的单极性基带波形就不适宜在低频传输特性差的信道中传输，因为它有可能造成信号的严重的畸变。在传输码（或称线路吗）的结构将取决于实际信道特性和系统的工作条件。通常，传输码的结构应具有以下的特性：1.相应的基带信号无直流分理，且低频分量少:2.便于从信号中提取定时信息：3.信号中高频分应尽量少以节省传输频带并减少码间串扰。4.不受信号源统计特性影响，即能适应于信息源变化：5.具有内在的检错能力，传输的码型应具有一定的规律性，以便利用这一规律性进行宏观监测：6.编译码设备要尽可能简单，等等。满足以上特性的
12、传输码型种类繁多，这里使用HDB3。要了解HDB3码的编码规则，首先要知道AMI码的构成规则，AMI码就是把单极性脉冲序列中相邻的“1”码(即正脉冲)变为极性交替的正、负脉冲。将“0”码保持不变，把“1”码变为+1、-1交替的脉冲。如：AMI码：-10000 +10000-1 +10000-1 +1HBD3码（3nd Order High Density Bipolar）的全称是三阶高密度双极性码，它是AMI码的一种改进型，改进目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。其编码规则：1.检查消息码中连“0”的个数。当连“0”数目小于等于3时，HBD3码与AMI码一样（“
13、1”交替的变换为“+1”和“-1”，“0”保持不变）。2.当连“0”数目超过3时，将每4个连“0”化作一小节，定义为“B00V称为破坏节，其中V称为破坏脉冲，而B称为调节脉冲；3.V与前一个相邻的非“0”脉冲的极性相同（这破坏了极性交替的规则，所以V称破坏脉冲），并且要求相邻的V码之间极性必须交替。V的取值为“+1”或“-1”；4.B的取值可选0、+1或-1，以使V同时满足（3）中的两个要求；5.V码后面的传号码极性也要交替。例如：消息码： 1 000 0 1 000 0 1 1 000 0 000 0 1 1AMI码： -1 000 0 +1 000 0 -1+1 000 0 000 0 -
14、1+1HDB3码：-1 000-V +1 000+V -1+1-B00-V +B00+V -1+1其中的B脉冲和V脉冲与1脉冲波形相同，用V或B表示的目的是为了示意其中的该非“0”码是由原信码的“0”变换而来的。当相邻两个V码之间有奇数个“1”码时，能保证V码满足（3）的要求，B取“0”；当相邻两个V码之间有偶数个“1”码时，不能保证V码极性交替，B取“+1”或“-1”，B码的符号与前相邻“1”相反，而其后面的V码与B码极性相同。4.2数字基带传输系统 概念：未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或者很低频率开始，称为数字基带信号,不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，称为数字基带传输系统
15、。 数字基带传输的研究的意义：第一：在利用对称电缆构成的近程数据通信系统中广泛采用这种传输方式。第二：数字基带传输方式迅速发展，用于低速或高速数据传输。第三：基带传输系统的许多问题也是带通传输系统必须考虑的问题。第四：任一个线性调制的带通传输系统，可以等效为一个基带传输系统。数字基带信号通信的根本任务是远距离传输信息，准确地传输数字信息是数字通信中的一个重要环节。在数字传输系统中，其传输对象通常是二进制数字信息。它可能是来自计算机、网络或其他数字设备的各种数字代码，也可能来自数字电话终端的脉冲编码信号。数字信息在一般情况下可以表示为一个数字序列：，a-2-,a-1,a0,a1,a2,an,简记
16、为an。an是数字序列的基本单元，称为码元。每一个码元只能取离散的有限个值，例如在二进制中，an取0或1两个值；在M进制中，an取0，1，2，M-1等M个值，或者取二进制码的M种排列。在传输码（或称线路吗）的结构将取决于实际信道特性和系统的工作条件。通常，传输码的结构应具有以下的特性1.相应的基带信号无直流分理，且低频分量少2.便于从信号中提取定时信息：3.信号中高频分应尽量少以节省传输频带并减少码间串扰。4.不受信号源统计特性影响，即能适应于信息源变化：5.具有内在的检错能力，传输的码型应具有一定的规律性，以便利用这一规律性进 行宏观监测。 6.编译码设备要尽可能简单，等等。5 MATLAB
17、仿真软件 MATLAB是矩阵实验室的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 5.1 Matlab的优势和特点 1.友好的工作平台和编程环境 MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。 2.简单易用的程序语言 Matlab一个高级的距阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。 3.强大的科学计算机数据处理能力 MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。在计
18、算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。 4.出色的图形处理功能 MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和距阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。 5.应用广泛的模块集合工具箱 MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，他们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。 6.实用的程序接口和发布平台 新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+代码。同时MATLAB的一
19、个重要特色就是他有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。 7.应用软件开发（包括用户界面） 在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5。 5.2基本功能MATLAB是由美国基本功能mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数
20、值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORT
21、RAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。6系统软件设计6.1 程序流程及思路 实验编码原理框图如下所示： 图1 编码框图 译码规则：在接收端，将接收到的HDB3码序列恢复为原输入二进制数字信息序列的过程称为译码。 对HDB3码而言，译码就是找到编码时插入的特殊序列并将它恢复为000
22、0。根据编码原则，HDB3的译码可分为三个步骤：1.根据“V”的极性特点，找出特殊序列。由于编码时，每个“V”的极性都与其前一个“1”码的极性相同，所以，在接收序列中一旦出现连续两个同极性码时，两个同极性码的后一个即为“V”，此“V”与其前的三位码就是一个特殊序列；2.将所有的特殊序列都恢复为“0000”；3.将正、负脉冲都恢复为“1”码，零电平恢复为“0”码。下图是译码的框图： 图2 译码框图6.2 M文件调用函数functionyn,decode=HDB3(xn)yn=xn;num=0;for k=1:length(xn) if xn(k)=1 num=num+1; if num/2 =
23、fix(num/2) yn(k)=1; else yn(k)=-1; end endend num=0; yh=yn; sign=0; V=zeros(1,length(yn); B=zeros(1,length(yn);for k=1:length(yn) if yn(k)=0 num=num+1; if num=4 num=0; yh(k)=1*yh(k-4); V(k)=yh(k); if yh(k)=sign yh(k)=-1*yh(k); yh(k-3)=yh(k); B(k-3)=yh(k); V(k)=yh(k); yh(k+1:length(yn)=-1*yh(k+1:leng
24、th(yn); end sign=yh(k); end else num=0; endend re=xn,yn,yh,V,B; input=yh; decode=input; sign=0; for k=1:length(yh) if input(k) = 0 if sign=yh(k) decode(k-3:k)=0 0 0 0; end sign=input(k); endenddecode=abs(decode); error=sum(xn-decode); subplot(3,1,1);stairs(0:length(xn)-1,xn);axis(0 length(xn) -2 2);
25、subplot(3,1,2);stairs(0:length(xn)-1,yh);axis(0 length(xn) -2 2);subplot(3,1,3);stairs(0:length(xn)-1,decode);axis(0 length(xn) -2 2);6.3 M文件运行程序xn=1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1;yn=HDB3(xn);7运行效果图图3 运行效果图8总结在整个设计过程中我懂得了许多东西，也培养了独立思考和设计的能力，树立了对知识应用的信心，相信会对今后的学习工作和生活有非常大的帮助，并且提高了自己的动手实践操
26、作能力，使自己充分体会到了在设计过程中的成功喜悦。虽然这个设计做的不怎么好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。在没有做课程设计以前，觉得课程设计只是对知识的单纯总结，但是通过这次课程设计发现自己的看法有点太片面，课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，也是对自己能力的一种提高，通过这次课程设计使自己明白了原来的那点知识是非常欠缺的，要学习的东西还很多，通过这次课程设计，明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作和生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。希望以后像这样的课程设计在多一点。 参考文献1. 郭文彬，桑林编著，通信原理-基于Matlab的计算机仿真，北京邮电大学出版社，20062. 曹志刚，钱亚生，现代通信原理，清华大学出版社，2002年3. 郭仕剑等，MATLAB 7.x数字信号处理，人民邮电出版社，2006年4. 刘卫国. MATLAB程序设计教程M. 北京:中国水利水电出版社, 2005.5. 樊昌信.曹丽娜. 通信原理M. 北京:国防工业出版社,2008.
