基于CD22103的AMI/HDB3编译码电路分析与实现

1 引言

现代通信借助于电和光来传输信息，数字终端产生的数字信息是以“1”和“0”2种代码（状态）位代表的随机序列，他可以用不同形式的电信号表示，从而构造不同形式的数字信号。在一般的数字通信系统中首先将消息变为数字基带信号，称为信源编码，经过调制后进行传输，在接收端先进行解调恢复为基带信号，再进行解码转换为消息。在实际的基带传输系统中，并不是所有电波均能在信道中传输，因此有基带信号的选择问题，因此对码型的设计和选择需要符合一定的原则。当数字信号进行长距离传输时，高频分量的衰减随距离的增大而增大，电缆中线对之间的电磁辐射也随着频率的增高而加剧，从而限制信号的传输距离和传输质量，同时信道中往往还存在隔直流电容和耦合变压器，他们不能传输直流分量及对低频分量有较大的衰减，因此对于一般信道高频和低频部分均是受限的。对于这样的信道，应使线路传输码型的频谱不含直流分量，并且只有很少的低频分量和高频分量。其次，传输码型中应含有定时时钟信息，以利于收端定时时钟的提取，在基带传输系统中，定时信息是在接收端再生原始信息所必需的。一般传输系统中，为了节省频带是不传输定时信息的，必须在接受端从相应的基带信号中加以提取。再次，实际传输系统常希望在不中断通信的前提下，能监视误码，如果传输码型有一定的规律性，那么就可以根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动监测，因此，传输码型应具有一定的误码检测能力。当然，对传输码型的选择还需要编码和解码设备尽量简单等要求，但以上的几点是最主要的考虑因素。

本文采用的传输码型为ami码和hdb3码，由nrz码经编码电路得到。硬件实现电路基于专用集成芯片cd22103，他是一个lsi sos集成芯片，完成ami/hdb3编译码功能，应用于2.048mb/s和8.448mb/s传输中，支持ami/hdb3编码，码率范围为50kb/s－10mb/s，并在某种程度上与ccittg703的推荐一致。hdb3发生编码和接收译码在独立的编码器和译码器区段中进行，所有的发生器和接收器的输入和输出都与ttl兼容。

2 传输码型

2.1 单极性非归零（nrz）码

nrz码用高电平和低电平（一般为零电平）分别表示二进制信息“1”和“0”，在整个码元期间电平保持不变。nrz码的产生方法很简单，但是由于信号中含有较多的直流分量和低频分量，再加上nrz码本身没有检错和纠错能力，不适合信道传输，因此，在基带传输中，信号送入信道传输之前，通常对nrz码进行码型变换，使其转换成适合信道传输的码型。

2.2 传号交替反转（ami）码

ami（alternate mark inversion）码信码“0”用0电平表示：信码“1”交替用“＋1”和“－1”的归零码表示，因此，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τ与码元宽度（码元周期、码元间隔）ts的关系是τ＝0.5ts。ami码无直流分量，低频分量较小，能量集中在频率为1/2由码率左右处，因而他特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输，虽然在ami功率谱中无定时脉冲的频率分量，但只要对基带信号进行必要的非线性处理（如全波整流或平方），即可提取定时信号。ami码的另一个优点是具有一定的检错能力，因为信号是按交替规律进行传输，若收端的码不符合这一规律，就可能出现错码；由于其具有上述优点，因此得到了广泛应用；

ami码的主要缺点是他的一些性能和信源的统计特性有关。首先，他的功率谱形状与信码中“1”码出现的概率有关；其次，当信码中出现较长的连“0”时，由于ami码长时间不出现电平跳变，使提取定时信息时较困难。

2.3 三阶高密度双极性（hdb3）码

hdb3（high density binary－3）码是ami码的一种改进型，主要是为了克服ami码中连“0”时所带来的提取定时信息的困难。他的编码原理为：首先将信码变换为ami码，然后检查ami码序列中连“0”的情况。当出现4个以上的连“0”时，将每4个连“0”小段中的第4个“0”位变成一个非0的破坏位v，其极性和前一个非“0”位同极性。这样就破坏了“极性交替反转”的规律。可以在接收端很快发现破坏位，使原信码得到恢复。但也破坏了ami码无直流分量的优点，为了保持无直流分量这一特点，还必须保证相邻v码也应极性交替。这一点在相邻v码之间有奇数个非“0”位时，可以得到保证；当有偶数个非“0”位时，就得不到保证，这时再将该小段第一个“0”位变换成＋b或－b，b的极性与前一个非“0”位相反，并让后面的非“0”位从v位开始再交替变化。

虽然hdb3码的编码规则比较复杂，但译码却比较容易，从上述原理看出，每一个破坏符号v总是与前一个非0符号同极性（包括b在内）。这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点v，于是也断定v符号及其前面的3个符号必是连0符合，从而恢复4个连0码，再将所有的－1变成＋1后便得到原消息代码。

hdb3码保持了ami码的优点，克服了ami码在遇到连“0”长时难以提取定时信息的困难，因而获得广泛应用。ccitt已建议把hdb3码作为pcm终端设备一次群到三次群的接口码型。

2.4 nrz，ami，hdb3码之间的对应关系

假设信息码为0000 0110 0001 0000，对应的nrz码、ami码，hdb3码如图1所示。

分析表现，ami码及hdb3码的功率谱如图2所示，他不含有离散谱fs成份（fs＝1/ts，等于位同步信号频率）。在通信的终端需将他们译码为nrz码才能送给数字终端机或数/模转换电路。在做译码时必须提供位同步信号。工程上，一般将ami或hdb3码数字信号进行整流处理，得到占空比为0.5的单极性归零码（rz|τ＝0.5ts）。这种信号的功率谱也在图2中给出。由于整流后的ami，hdb3码中含有离散谱fs，故可用一选频网络得到频率为fs的正弦波，经整形、限幅、放大处理后即可得到位同步信号。

3 ami/hdb3码编译码电路

3.1 电路分析

ami/hdb3码的编译码原理框图及电路原理图分别如图3，图4所示。

该码型变换电路采用专用集成芯片cd22103对ami/hdb3进行编译码，其第3脚接＋5v时为hdb3编译码器，接地时为ami编译码器。输入的nrz信号通过编译码器输出两路并行信号＋hdb3－out和－hdb3－out，他们都是半占空比的正脉冲信号，分别与ami/hdb3码的正极性信号及负极性信号相对应，这两路信号经单/双极性变换后可得到hdb3码。本电路中给出的两种单/双极性变换方法，一种是采用模拟开关cd4052，将两路单极性信号作为控制信号轮流选通＋5v和－5v，输出信号即为hdb3码，这种方法得到的hdb3码码型规律，现象明显，便于观察，在教学实验系统中通常被采用；另一种是采用变压器耦合得到hdb3码，这种方法提高了信号传输能力，在实际工程中被广泛采用。

在对ami/hdb3码进行译码之前，同样也是将信号经双/单极性变换得到相应的正极性信号和负极性信号再送译码芯片。这里对应上面的两种方法，第一种采用对信号上拉电平，由于对信号上拉电平值的不同所对应的控制门限不同，可通过判决整流电路（74hc04）选出两路极性信号，这两路极性信号同样也是半占空比的正脉冲信号；第二种经变压器耦合后通过二极管半波整流便可达到双/单极性变换的目的。

欲对hdb3信号译码得到nrz信号，必须从hdb3码中提取位同步信号。由于hdb3码本身不含有位同步频率成分，故不能直接从hdb3码中提取位同步信号。双/单极性变换器及相加器构成一个整流器，hdb3码经全波整流后得到的正脉冲信号hdb3－d中含有位同步信号频率离散谱。

在cd22103中，全波整流的过程已经集成在芯片内部，芯片的第10管脚输出便是hdb3－d信号，该信号通过选频网络（并联谐振回路）二次选频即可得到与位同步信号同频率的正弦波信号，这里要注意的是选频网络的谐振频率应与编码时钟频率一致，正弦波信号经过判决、整形后可得到同频率的方波信号，此方波信号作为译码器的时钟信号输入，和hdb3码经单/双变换得到的两路单极性信号＋hdb3－in和－hdb3－in分别送到cd22103的第5脚、第13脚和第11脚，即可得到译码输出nrz信号。

3.2 芯片说明

本电路中采用的编译码芯片cd22103的引脚及内部框图如图5所示，引脚及功能说明如下。

pin1：nrz－in 编码器nrz信号输入端；

pin2：ctx 编码时钟（位同步信号）输入端；

pin3：ami/hdb3 码型选择端：接ttl高电平时选择hdb3码；接ttl低电平时选择ami码；

pin4：nrz－out hdb3译码后信码输出端；

pin5：crx 译码时钟（位同步信号）输入端；

pin6：rais 告警指示信号（ais）检测电路复位端，负脉冲有效；

pin7：ais ais信号输出端：有ais信号时为高电平，无ais信号为低电平；

pin8：vss 接地端；

pin9：err 不符合hdb3/ami码编码规则的误码脉冲输出端；

pin10：ckr hdb3码的汇总输出端；

pin11：－hdb3－in hdb3译码器负码输入端；

pin12：ltf hdb3译码内部环回控制端，接高电平时为环回，接低电平时为正常；

pin13：＋hdb3－in hdb3译码器正码输入端；

pin14：－hdb3－out hdb3编码器负码输出端；

pin15：＋hdb3－out hdb3编码器正码输出端；

pin16：vdd 接电源端（＋5v）。

cd22103主要由发送编码和接收译码两部分组成，工作速率为50kb/s－10mb/s。在发送部分，当ami/ hdb3端接高电平时，编码电路在编码时钟ctx下降沿的作用下，将nrz码编成hdb3码（＋hdb3－out，－hdb3－out两路输出）；接低电平时，编成ami码。在接收部分，在译码时钟crx的上升沿作用下，将hdb3码（或ami码）译成nrz码。另外，cd22103可在不中断业务的情况下进行误码检测，检测出的误码脉冲从err端输出，其脉宽等于收时钟的一个周期，可用此进行误码计算；可检测出所接收的ais码，检测周期由外部rais决定。据ccitt规定，在rais信号的一个周期（500s）内，若接收信号中“0”码个数少于3，则ais端输出高电平，使系统告警电路输出相应的告警信号，若接收信号中“0”码个数不少于3，ais端输出低电平，表示接收信号正常。

4 结语

本文给出的ami/hdb3编译码电路实现方法经实际硬件电路测试，信号波形、频谱符合理论分析，同时给出的两种产生ami/hdb3码的方法，既可满足教学实验的现象观察，便于加深对信道编译码原理的理解，也可满足实际的通信系统传输要求，可进一步用于e1系统pcm语音编码后的信道编码中，具有很实际的应用价值。