AMI编译码系统设计.doc

武汉理工大学信息工程学院数字通信课设

学 号：
0121509350818

课 程 设 计

题 目
数字通信课程设计——
AMI编译码系统设计
学 院
信息工程学院
专 业
电子信息工程
班 级
电信1506班
姓 名
骆增淳
指导教师
周颖

2018
年
1
月
7
日

课程设计任务书

学生姓名： 骆增淳 专业班级：电信1506班
指导教师： 周颖 工作单位：信息工程学院

题 目：AMI编译码系统设计
初始条件：
具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。
要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、完成一个AMI编译码系统的设计，实现对输入信号进行编码以及进行译码输出等功能。
2、完成编译码系统中的各个组成模块的设计，包括输入、编码译码、输出等部分。
3、选择合适的对应编译码芯片进行设计。
4、安装和调试整个电路，并测试出结果；
5、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。
时间安排：
一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试
指导教师签名： 年 月
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目录
摘要 1
1概述  2
1.1AMI系统简介  2
1.2AMI码 2
1.3AMI码型实现原理 3
2系统模型 5
3系统电路模块设计 6
3.1M序列发生器的设计 6
3.2编码电路的设计 7
3.3译码电路的设计 10
4完整电路及仿真 12
4.1AMI编译码系统全图 12
4.2AMI编译码系统的仿真 13
5心得体会 16
参考文献 17

摘要
21世纪是信息时代，通信技术的快速发展给人们的生活带来了很大的方便，计算机、手机等通信设备使得人们可以方便的进行信息交流。数字通信技术是通信技术中不可或缺的部分，它广泛运用于通信领域，更方便了信息的传输。 
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”两种状态代表的随机序列，它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。随着数字通信技术的发展，基带传输方式也有了快速的发展，在某些具有低通特性的有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。数字基带传输广泛运用于利用对称电缆构成的近程数据通信系统中，目前，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输，AMI/HDB3码是基带传输的常用码型，因此对AMI/HDB3码的研究具有深刻的意义。
数字基带信号的传输是数字通信系统的一个重要组成部分,其中数字基带信号传输码型种类很多，AMI和HDB3码是数字基带信号传输中常用的传输码型。本文中介绍AMI码，详细分析了编解码的实现过程，最后给出了实验结果，结果表明：该电路具有设计简单，运行速度快，稳定可靠，成本低等优点，完全符合要求。

1概述 
1.1AMI系统简介 
在数字通信系统中传输的对象是数字信号，它可能来自数字信号源，也可能来自数字电话的终端。这些数字信号往往包含很低的频率分量，甚至是直流分量。它所占用的频带称为基本频带，简称基带。传输基带信号的方法有两种：一种是直接传输基带信号，这种直接传输基带信号的传输系统称为基带传输系统。另一种方法是将基带信号经过适当变换后在进行传输。 
就目前数字通信系统的形势来看，基带传输用的较少，但对于基带传输的研究仍然是十分有意义的。这是因为，第一，基带传输包含着数字通信系统的许多基本问题，频带传输是基带信号调制后再传输的，因此，频带传输也存在着基带传输的问题；第二，利用有线信道构成的近程数字通信系统中广泛采用这种传输方式；第三，如果把调制于解调看成是广义信道的一部分，则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统，理论上也可以证明，任何一个采用线性调制的频带调制系统，总是可以由一个等效的基带传输系统代替。 
在基带信号的传输系统中，比较典型的传输码型有AMI、HDB3、CMI等，AMI是一个比较有代表性的码型。在系统的传输和结构的复杂性的方面都有它的优点，所以，对于学生学习的阶段而言，在了解AMI码的相关知识的前提下，，运用仿真软件设计一个AMI编译码的系统是具有实际的意义的。
1.2AMI码
AMI（Alternative Mark Inversion）码的全称是传号交替反转码，其编码规则是将消息码的信号“1”（空号）传号交替的变换为“+1”和“-1”，而“0”空号保持不变。AMI码与信息码关系如表1。
表1 AMI码与信息码
消息码
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
AM码
0
-1
+1
0
0
0
0
0
0
0
-1
+1
0
0
-1
+1
AMI码的对应波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列。它可以看成单极性波形的变形，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，且高、低频分量少，能量集中在频率为1/2码速处；编译码电路简单，且可以利用传号极性交替这一规律观察误码情况；如果他是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。鉴于上述优点，AMI码成为较常用的传输码型之一。
AMI码的缺点是，当原信码出现长连串“0”时，信号电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。
AMI码与HDB3码关系如图1。
图1 AMI与HDB3码
1.3AMI码型实现原理
（1）NRZ与RZ信号的转换
AMI码型的实现首先要将非归零信号转换成归零信号，要想从单极性不归零信号获得归零信号只要用一个与门就可以实现，与门的两个输入端分别为a和b，a为输入的待变换的信号，码元宽度为Ts，b为以Ts为周期的定时脉冲。
在收端要使归零信号还原成归零信号，则可以让归零信号经过一个D触发器便可以获得。在D触发器的加入一个时钟信号就是位定时脉冲，由于D触发器一般多利用时钟的前沿来触发，故应让加至D触发器的归零信号c比定时脉冲略有超前，得到的就是非归零信号。
（2）归零信号的分路
单极性的归零信号变成AMI码，只需要将单极性脉冲的“1”的正极性脉冲分成奇偶两路，再进行相减即可。将单极性归零脉冲首先从触发器的一个输入端输入，另一端加入一与输入信号同频率的方波脉冲信号作为触发器的CP信号。则在触发器的的两个输出端可以得原输入归零信号经过触发器的奇偶两路归零信号其对应的波形特征为一路是输入信号的奇数序号高电平，另一路是偶数序号高电平。
（3）NRZ分路信号转化成RZ分路信号
通过触发器输出的信号为两路非归零的支路信号，现在要做的事情就是将两路非归零信号转化成归零信号，转化的信号刚好是输入端归零信号的奇数序号高电平和偶数序号高电平，输出的两路信号也为归零信号，其中转化中主要的控制信号是输入非归零信号转化成的归零信号，运用的逻辑电路主要器件由与门来实现，两与门有一路公共的RZ信号输入端，由输入信号转化成的归零信号提供，与门的另外一输入端信号由触发器输出的两路奇偶非归零信号提供。
（4）AMI码输出
当两路归零信号由两与门输出后，奇偶高电平也完成了分离，现在要解决的唯一问题就是怎样实现“+1”电平变为“-1”电平，比较两路归零信号的时序波形可以发现，奇路信号高电平对应的时序在偶路信号中为“0”电平，在偶路信号中的高电平对应的时序在奇路信号中为“0”电平，发现以上的规律，我们就可以想到用减法器将两路信号信号相减就可以得到我们需要的码型——AMI码。
对于减法器的原理我们在《模拟电子技术》中已经充分了解，这里不再赘述，对于该电路，为了使输入的信号和输出信号的幅度比例值为1，在此我们取减法器的的四个电阻的阻值大小相等，均为1000欧姆，对应的电路原理图如图2所示。

图2 AMI码输出原理

1.4Multisim简介
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
它是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实地再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。
它主要的特点有：直观的图形界面；丰富的元器件，强大的仿真能力，丰富的测试仪器，完备的分析手段，独特的射频（RF）模块，强大的MCU模块，完善的后处理，详细的报告，兼容性好的信息转换。

2系统模型
AMI编译码系统是基于基带传输系统的，基带信号的传输系统没有调制与解调，所以系统的结构就比较简单，该结构有信道信号形成器，信道，接收滤波器以及抽样判决器组成。这里的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介；接收滤波器用来接收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断与再生基带信号。AMI 编译码系统分为发送、接收和同步三部分，如图3，发送部分完成的是将NRZ信号编码成AMI信号，接收部分将AMI信号还原成NRZ信号，同步用来提取发送到接收端的同步脉冲，用以正确还原信号。

信号相 减
双向整 流
信号相 减
信号分 离
码型变 换
NRZ RZ AMI

信号限 幅
带通滤 波
比较器
信号比 较
RZ
码型还 原
NRZ 矩形波 正弦波

图3 AMI编译码系统框图
整体电路仿真图可以分为三大块：第一块为系统的发送端，我在图中采用的是M序列发生器，具体如何产生会在下面介绍，产生一个随机的非归零信号；第二块为编码部分，其主要由JK触发器，与门和减法器来实现功能，还有两个放大器实现信道衰减20dB的要求；最后一块为译码部分，主要是有两个二极管、减法器和限幅器组成，还有位同步信号提取电路，核心单元为一窄带滤波器，其输出信号为一正弦波，频率为输入信号的频率，经过一个过零比较器将正弦波转换成方波，最后用D触发器组成一移相器对位同步信号移相，最后将位同步信号与接收端整流、相减、限幅和放大后经过D触发器最终还原信号。
3系统电路模块设计
3.1M序列发生器的设计
M序列发生器的电路图如图4所示：

图4 M序列发生器电路图
M序列发生器由3个D触发器，一个3输入或非门，一个二输入或门，一个二输入异或门和一个时钟信号源组成，3个D触发器通过级联成了一个3位的移位寄存器，3位的移位寄存器和一个二输入异或门一个二输入或门，一个3输入或非门一起构成了一个带线性反馈的移存器。假设从左到右的3个D触发器的分别成为a2,a1,a0。若移位寄存器的初始状态为（a2,a1,a0）=（1，0，0），则在移位一次的时候，移位寄存器输出0，并产生一个新的输入信号a2，a1，a0通过3输入或非门异或后再和a2，a0疑或后的信号相或产生一个新的输入信号1，新的状态变为（a2,a1,a0）=（1，1，0），下一次移位后新的状态为（a2,a1,a0）=（1，1，1），第三次移位后的状态为（a2,a1,a0）=（0，1，1），第四次移位后的状态为（a2,a1,a0）=(1,0,1),第五次移位后的状态为（a2,a1,a0）=（0，1，0），第六次移位后的状态为（a2,a1,a0）=（0，0，1），第七次移位后的状态为（a2,a1,a0）=（1，0，0）。通过七次移位，移位寄存器又返回到了初始状态，这样就产生了一个周期为7的序列，序列为0011101。这个M序列发生器产生的M序列波形如图5。

图5 M序列发生器输出波形
3.2编码电路的设计
编码电路电路图6所示：

图6 编码电路图

AMI编码电路由一个JK触发器、三个与门、一个非门、两个运放以及六个电阻和1个电容组成。
第一个与门的一端和M序列发生器的输出端相连接，另一端和M序列发生器连相同的时钟脉冲源，他的主要作用是将非零码转为归零码，构成非归零码-归零码转换器。JK触发器的JK端和第一个与门的输出端相接，时钟信号端通过一个非门和M序列发生器接相同的时钟脉冲源，Q端口和Q’端口分别和一个与门的一端相接，两个与门的另一端都和非归零码-归零码转换器的输出端相接，这部分电路的作用是将归零消息码的“1”信号变为交替的“0”、“1”和交替的“1”、“0”分别输出。第二和第三个与门的输出端分别接入一个求差电路的两端。将“0” 、“1”交替的归零码和“1”、“0”交替的归零码相减，得到了AMI码。由于这样得到的AMI码中夹杂着冲击信号，因此需要将添加电容进行滤波。后面再加以同向放大电路作为缓冲。M序列及其转换的单极性归零码的波形如图7所示：

图7 M序列和单极性归零码

单极性归零码1信号变为交替的“0”、“1”波形如图8所示：

图8 单极性归零码“1”信号转换为交替的“0”、“1”
单极性归零码“1”信号变为交替的“1”、“0”信号波形如图9所示：

图9 单极性归零码“1”信号转换为交替的“1”、“0”
“0”、“1”和“1”、“0”相减后的波形如图10所示：

图10 初步得到的AMI码

滤出冲激信号后的波形如图11所示：

图11 AMI码
3.3译码电路的设计
译码电路其实就是编码电路的逆过程。首先将AMI码还原成单极性归零码。将AMI码流通过两个二极管分别去掉负电平部分和正电平部分分别送入求差电路的两个输入端求差还原出原来的单极性归零码。一部分输入一个自同步电路，直接从信息码元中提取码元定时信息。码元定时信息送入抽样判决器进行抽样判决后得到一个比原脉冲延时一个码元的信号脉冲。另一部分通过同相放大电路放大后输入一个D触发器的D口，在由抽样判决器产生的信号脉冲的作用下还原为原来的M序列。自同步电路由电阻和电容构成的低通滤波电路和由运放和电阻电容组成的微分电路以及一个运放组成的放大电路组成。抽样判决电路由一个D触发器组成，抽样判决器的定时脉冲选择4000HZ。译码电路电路如图12所示：

图12 译码电路电路图
AMI码转换为单极性归零码波形如图13所示：

图13 AMI码转换为单极性归零码
单极性归零码通过自同步得到码元定时信息波形如图14所示：

图14 自同步的输入和输出波形

将单极性归零码转换为原来的M序列波形如图15所示：

图15 单极性归零码还原为M序列

4完整电路及仿真
4.1AMI编译码系统全图
AMI编译码系统仿真全图如图16所示：

图16 AMI编译码系统总图
4.2AMI编译码系统的仿真
如图17所示将示波器的两个探头分别接到M序列的输出端和编码电路的输出端。

图17 M序列与编码仿真接线图
按下Multisim工具栏的运行按键（快捷键为F5），得到的仿真波形如图18：

图18 M序列与编码仿真图
如图19所示将示波器的两个探头分别接到M序列发生器的输出端和译码电路的输出端。

图19 M序列与译码仿真接线图
按下Multisim工具栏的运行按键（快捷键为F5），得到的仿真波形如图20：

图20 M序列与译码仿真图

如图21所示将示波器的两个探头分别接到AMI编码电路和译码电路的输出端。

图21 AMI编码与译码电路仿真连线图
按下Multisim工具栏的运行按键（快捷键为F5），得到的仿真波形如图22：

图22 AMI编码与译码电路仿真图
5心得体会
此次是我们这学期第二次课程设计，没有了第一次那种茫然，更多的是有条不紊的进行着，设计和仿真。课程设计的任务是设计、组装并调试一个AMI编译码系统。需要我们综合运用《通信系统原理》等课程的知识，通过查阅资料、方案论证与选定；设计和选取电路和元器件；分析指标及讨论，完成设计任务。
在这次课程设计中，我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路，动手能力得到很大的提高，从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的通信系统原理知识。在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。但由于电路比较简单、定型，而不是真实的生产、科研任务，所以我们基本上能有章可循，完成起来并不困难。把过去熟悉的定型分析、定量计算逐步，元器件选择等手段结合起来，掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法，这对今后从事技术工作无疑是个很好的训练。通过这种综合训练，我们可以掌握电路设计的基本方法，提高动手组织实验的基本技能，培养分析解决电路问题的实际本领，为以后毕业设计和从事电子实验实际工作打下基础。

参考文献
[1]樊昌信，吴成，通信原理第七版，国防工业出版社，2013；
[2]王虹，通信系统原理第一版，国防工业出版社，2014；
[3]钱亚生，现代通信原理，清华大学出版社，2012；
[4]王兴亮，通信系统原理教程西安电子科技大学出版社，2007；
[5]冯玉珉，郭宇春，通信系统原理第2版，北京交通大学出版社，2011年。
16