基于E-Labsim的HDB3編譯碼的仿真分析

時雪松 趙晏 張曉玉

摘要：HDB3編譯碼電路實際實驗裝置存在噪聲干擾、內阻等原因，得到的歸零碼與非歸零碼波形與理論波形存在一定的偏差，容易與編譯碼方法相悖，造成理解錯誤，采用E-Labsim電子仿真軟件，仿真實驗模塊和仿真儀表對電路進行仿真，得到的結果與與理論值完全一致。

關鍵詞：數字通信原理;數字基帶傳輸;HDB3編譯碼;E-Labsim;仿真

1???? HDB3編譯碼理論分析

《數字通信原理》是通信專業的一門重要專業基礎課程，對通信專業學生的后續課程，例如衛星通信、短波通信專業學習具有重要的支撐作用。而HDB3編譯碼實驗是數字基帶傳輸中重要的組成部分，用于分析HDB3編碼、譯碼的方法，以及實際電路中信號的傳輸形式。

數字基帶傳輸不經過載波調制與解調而讓基帶信號直接進行傳輸，[1]例如在市區內利用電傳機直接進行電報通信，或者利用中繼方式在長距離直接傳輸PCM信號等。它的基本結構如圖1 所示。該結構由信源、信道信號形成器、信道、接收濾波器以及抽樣判決器組成。

而對于數字基帶信號，為了使其適合在數字基帶傳輸系統中進行傳輸，需要傳輸碼的結構具有下列主要特征[2]：

（1）???? 無直流成分和只有很小的低頻成分;

（2）???? 具有一定的檢錯能力

（3）???? 便于提取定時信息

而HDB3碼是最常用的數字基帶傳輸碼型之一，根據對它功率譜進行分析，它直流分量、低頻分量少，能量集中在fs/2處，這一特點使其主要應用在低頻，適合在高質量的有線信道中進行傳輸，并且具有一定的檢錯能力，所以被CCITT所推薦使用。

HDB3碼的編碼過程可分為四步：

（1）???? 將原始碼用AMI編碼方式進行編碼，即1 編為正負電平極性交替，0不變，編為0;

（2）???? 當出現4 個或4 個以上連“0”串時每4 個連“0”碼分為一組，并用000V取代節來代替，V是±V，V的符號與前一非“0”符號相同，并且相鄰V符號也應極性交替，V稱為破壞脈沖;

（3）???? 當相鄰V 符號之間有奇數個非“0”符號時，編碼規則按照前兩條;當有偶數個非“0”符號（含0 個）時，以取代節B00V來代替，B是±B，B符號的極性與前一非“0”符號相反;

（4）???? 將相應的V、B轉換為相應極性的正負電平。

由于相關實驗對儀器精度要求高，容易受到外界干擾，實驗操作過程中的最大問題就是實驗不好做，實驗效果不理想。因此，針對數字通信原理課程的特點，在教學中借助虛擬的仿真軟件在計算機上模擬相關的軟硬件實驗環境、實驗對象和實驗過程，利用好教學軟件進行輔助教學，不僅可以提高學生的學習興趣，而且為學生在有限時間內掌握數字通信原理的理論知識提供了便利。

2???? E-Labsim簡介

e-Labsim仿真型開放實驗室是一套根據教學的需要，兼顧一般仿真型開放實驗室優勢，運用先進的虛擬仿真技術，將實際的硬件設備通過虛擬化，在PC機上實現與硬件相同的功能及操作方式。

e-Labsim仿真型開放實驗室是一種虛擬的實驗環境和平臺，但其又不同于普通的“虛擬實驗室”的概念，為了能做到實驗室的開放以及讓學生進行創新實踐，在產品實現方面，我們主要采取了幾個方面的思路和方案：

（1）???? 建立真實完整的實驗對象的數學模型，讓學生在虛擬環境下感受到的是真實的實驗環境;

（2）???? 將實驗對象按知識體系切割為一個個獨立的模塊，學生可以按照自己的意愿將各模塊以不同的方式進行組合以搭建出不同的功能實體或系統。

3???? E-Labsim的HDB3編譯碼仿真實例

實驗是來驗證HDB3碼編碼以及譯碼的過程，實驗原理如圖2 所示，數字信號源產生兩路信號輸入，PN15提供原始基帶信號，CLK提供數字時鐘信號，用來識別一次編碼、譯碼開始與結束的時間，兩路信號經過HDB3編碼輸出兩路信號，HDB3-A1/HDB3-B1分別是HDB3奇數位、偶數位的編碼結果，經過電平變換，將單極性信號變為雙極性信號，進行輸出，譯碼則是恢復原始二進制碼元的過程，極性反變換變為奇數偶數兩路信號，進行相加合成，轉換為單極性碼，通過鎖相環產生譯碼時鐘信號，進行譯碼，恢復出原始的數據以及時鐘信號。

按照實驗原理圖，利用e-labsim進行線路的連接，連接方法如圖3 所示，

（1）HDB3編碼輸出

通過e-labsim仿真示波器可以清楚的看到數字基帶輸入的編碼結果以及編碼輸出HDB3碼，圖4 中，上方為編碼輸入的原始基帶信號，下方為編碼輸出的HDB3碼，實線右方為一次數字基帶信號開始的時刻，虛線右方為一次HDB3編碼的結果，根據HDB3碼的編碼規則，原始的數字基帶信 號? “111100010011010”編 成了HDB3碼“-1+1-1+1000-100+1-10+10”，滿足HDB3碼的編碼規則。

4???? 結束語

數字通信原理是一門理論性很強的學科，其實驗是建立在理論的基礎之上的，由于實驗箱存在一定干擾，得到的圖像會有一定的失真，使得學生無法與理論知識相聯系，利用E-Labsim仿真軟件對通信電子線路進行性能分析、測試，提高了學生的學習興趣，此外，利用E-Labsim仿真軟件對功能電路進行性能測試，不用擔心元器件的損壞及電路安全，學生經過仿真測試后，再進行實際電路調試，更有針對性。利用E-Labsim仿真軟件教學是既經濟又安全的科學教學方法。

參考文獻：

[1]?? 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業出版社，2012

[2]?? 王興亮，寇媛媛.數字通信原理與技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2016

[3]?? 劉學勇.詳解MATLAB/Simulink通信系統建模與仿真[M].北京：電子工業出版社，2011