数字逻辑电路课程设计_4B5B编码_VHDL实现(含完整代码!!).docx
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数字逻辑电路课程设计_4B5B编码_VHDL实现(含完整代码!!)
一、1.4B5B编码原理介绍
(1)4B5B编码是一种数字信号编码技术，其主要目的是为了解决NRZ（Non-ReturntoZero）编码在传输过程中容易受到时钟抖动的影响，从而提高信号的传输质量。在4B5B编码中，每4位原始数据被映射成5位编码数据，从而增加了信号的冗余度。这种编码方法最早被广泛应用于高速串行通信中，如SDH（SynchronousDigitalHierarchy）和SONET（SynchronousOpticalNetwork）等。例如，在SDH系统中，4B5B编码被用于将4个字节的数据转换为5个字节的编码数据，以提高信号的传输效率和可靠性。
(2)4B5B编码的过程包括编码和解码两个步骤。编码时，每个原始数据位序列首先被映射到一个特定的5位编码中，解码时，接收到的5位编码数据再被转换回原始的4位数据序列。这种编码方法使用了一个固定的映射表，该表将4位二进制数映射到5位编码数据。例如，二进制数“0000”将被映射为编码“00000”，而“1111”则映射为“11111”。在5位编码中，有2^5=32种不同的组合，其中32-4=28种组合用于表示4位数据，剩余的4种组合则用于表示特定的控制信息，如同步信号等。
(3)4B5B编码的优势在于，它不仅能够提高信号的传输质量，还能在一定程度上实现错误检测和纠正。由于编码后的数据具有更高的冗余度，因此在信号传输过程中，即使发生了误码，也能够通过解码过程进行检测和纠正。例如，在SONET系统中，通过4B5B编码可以实现每秒高达9.95328Gbit/s的数据传输速率，同时通过编码后的数据特性，系统还能够实现错误检测和纠正功能，从而确保数据传输的可靠性。此外，4B5B编码还具有较好的自同步能力，能够在接收端自动恢复传输信号的时钟，这对于高速数据传输尤为重要。
二、2.VHDL实现设计
(1)在VHDL实现4B5B编码的过程中，首先需要定义一个编码映射表，该表将4位二进制数据映射到5位编码数据。这一步可以通过使用VHDL的数组或记录类型来实现。例如，可以使用一个大小为16的数组，其中每个元素对应一个4位二进制数，数组中的值对应于相应的5位编码。在VHDL代码中，可以使用如下的声明和初始化：
```vhdl
typecode_mapisarray(naturalrange)ofstd_logic_vector;
constantb2b_code_map:code_map(0to15):=(
00000,10000,11000,11100,11110,
01100,01000,00100,00010,00001,
10100,10010,10001,11010,11001,
11101
);
```
(2)接下来，设计一个编码模块，该模块接收4位输入数据，并使用上述映射表生成5位编码输出。模块内部可以使用一个进程（process）来处理输入数据，并在每个时钟周期内更新输出。以下是VHDL代码示例：
```vhdl
entityb2b_encoderis
Port(clk:instd_logic;
rst:instd_logic;
data_in:instd_logic_vector(3downto0);
code_out:outstd_logic_vector(4downto0));
endb2b_encoder;
architectureBehavioralofb2b_encoderis
begin
process(clk,rst)
begin
ifrst=1then
code_out=(others=0);
elsifrising_edge(clk)then
code_out=b2b_code_map(to_integer(unsigned(data_in)));
endif;
endprocess;
endBehavioral;
```
(3)编码模块完成后，还需要设计一个解码模块，该模块与编码模块的功能相反，用于将5位编码数据转换回原始的4位二进制数据。解码模块同样可以使用一个映射表来实现，并且需要一个查找表（LUT）或查找树（LUT）来快速查找映射关系。在VHDL中，可以使用如下代码实现解码模块：
```vhdl
entityb5b_decoderis
Port(clk:instd_logic;
rst:instd_logic;
code_in:instd_logic_vector(4downto0);
data_out:outstd_logic_vector(3downto0));
endb5b_decoder;
architectureBehavioralof