曼彻斯特编码的FPGA设计方案

武汉理工大学毕业设计（论文） 1 曼彻斯特编码的 计方案 1 绪论 景及目的意义 曼彻斯特编码是一种自同步的编码方式，即时钟同步信号就隐藏在数据波形中。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示 1，从低到高跳变表示 0。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示 0或 1，有跳变为 0，无跳变为 1。在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分 1 和 0，即用正的电压跳变表示 0，用负的电压跳变表示 1。因此，这种编码也称 为相应编码。由于跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用 它作为位同步时钟 1。 由于技术的发展，现代通信体现出了越来越高的要求： 满足特定的通信特性； 应用软件尽可能透明，且占用主机的时间尽可能少； 于修改； 在数据通信领域，开发一个数据通信系统，选择一种好的数据编码方式是非常重要的，关系到整个系统的可行性、稳定性、通信质量以及以后系统的工作效率等方面。如何实现开发出更高可行 性、可靠性及稳定性的通信系统，这正是研究曼彻斯特码的目的和意义所在。 内外研究现状 曼彻斯特码采用跳变沿来表示 0 或 1，与二进制码相比，具有如下优点： 此具有丰富的定时信息，便于接收端提取定时信号。若采用二进制传输，当出现连续的 0 或 1 时，则无法区分两位元之间的边界； 此，传输时无直流分量，可降低系统的功耗。而对于二进制波形，当出现连续的 1 时，将有直流分量的产生； 以曼彻斯 特码在许多领域得到广泛的应用，如电信业，工业控制，车辆总线，石油勘测探井 等 1。 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 电信业的应用 在电信领域，曼彻斯特码是一种数据通讯线性码，它的每一个数据比特都是由至少一次电压转换的形式所表示的，曼彻斯特编码因此被认为是一种自定时码。自定时意味着数据流的精确同步是可行的。每一个比特都准确的在一预先定义时间时期的时间中被传送。曼彻斯特编码已经被许多高效率且被广泛使用的电信标准所采用 2。曼彻斯特码的一个最常见的使用是在 司共同开发的 “以太 ”本地数据传输网络（ 采用数字双向码作为线路传输码型。以太网的数据传输， 定必须用曼彻斯特编码进行 3。 工业控制中的应用 在工业现场控制网络中，曼彻斯特码由于编码方式简单易行、无直流分量，且含有丰富的时钟信息，常被用作高速基带数据传输。曼彻斯特编码已经广泛应用在数控测井和无线监控等领域 4。 车辆总线中的应用 随着嵌入式微机控制技术和现场总线技术的飞速发展，线代列车的运转过程控制已从过去的集中数字控制系统发展成为先进的基于网络的分布式控制系统 4。基于分布式控 制系统的 功能车辆控制总线）是 999)车数据通信网络国际标准）的推荐方案，它与 线式列车控制总线）构成的列车总线具有可靠性高、实时性强的特点。而其数据传输过程就是采用的曼彻斯特码进行编解码 5。 石油勘测探井中的应用 在油田测井中，井下仪在井下采集大量信息，并传送给地面测井系统 6；但井下仪到地面这段信道的传输性能并不好，常用的 不适合在这样的信道里传输，而且 含有丰富的直流分量 ,容易引起滚筒的磁化，因而选用了另外一种编码 特码。曼彻斯特编码是串行数据传输的一种重要的编码方式和最常用的 彻斯特码具有很多优点。例如：消除了 的直流成分，具有时钟恢复和更好的抗干扰性能，这使它更适合于信道传输。目前，在实际的工程测井中，常采用曼彻斯特编译码器（ 6408、 6904）把测井数据转换为曼彻斯特码及 把曼彻斯特码解码为数据 7。 目研究内容及组织结构 本项目主要研究曼彻斯特码编码器的 计和实现。 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 在本次设计中，为了验证电路系统能否顺利完成曼彻斯特码的编解码功能，采取了比软件仿真的验证方式。在该方式中需 要使用 言对系统编译并使用 行仿真。 第二章详细介绍了本文所采用的编程语言及仿真软件，介绍了 原理及开发工具， 的特点及软件开发流程， 应用优点。 第三章介绍了曼彻斯特码原理以及编码规则，并详细说明了曼彻斯特编解码系统的总体结构。论述了曼彻斯特编解码实现的系统方案。 第四章介绍了利用 言对系统的功能的实现。 第五章论述了利用 对系统软件的调试和编译以及 件对系统的仿真。 第六章 是对本次设计的小结和展望。 2. 开发工具及仿真软件 理 即现场可编程门阵列 ,它是在 可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为 专用集成电路（ 域中的一种半定 制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点 8。 用了逻辑单元阵列 这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块 输出输入模块 内部连线（ 个部分 ，如图 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 基本特点主要有 ： 计 路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 做其它全定制或半定制 路的中试样片。 部有丰富的触发器和 I O 引脚。 路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 用高速 艺，功耗低，可以与 平兼容。 可以说， 片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前 品种很多，有 司的 列、 司的 列、 列等。 由存放在片内 的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的 行编程。用户可以根据不同的配置模 式，采用不同的编程方式。加电时， 片将 数据读入片内编程 ，配置完成后， 入工作状态。掉电后， 复成白片，内部逻辑关系消失，因此， 够反复使用。 编程无须专用的 程器，只须用通用的 程器即可。当需要修改 能时，只需换一片 可。这样，同一片 同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此， 使用非常灵活。 供了一种“自顶向下 的全新的设计方法。这种设计 方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在图表级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统级进行验证。然后用综合优化工具生成具体门电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这不仅有利予早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，而且也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率 9。 系统的特点 出的 件为用户提供完整的多平台设计环境，不但能够直接满足特定设计的需要，而且为可编程芯片系统提供全面的设计环境。 件提供 计所有阶段的解决方案 10。 统的特点： 基于模块的设计方法。 门为 件提供了 于模块的设计方法，这有利于用户独立完成设计以及实施各种设计模块，而且在不改变各个模块的性能前提下可以将模块集成到顶层工程。因为每一个模块仅需要一次优化，所以设计流程可以显著缩短，大大提高设计效率。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 更快集成 件里包含了 具。 具针对可编程系统可以自动完成 的添加和参数设置，以及连接等操作。这里 储器、外设以及协处理器等。这样就把原先系统集成工作中的时间节省出来，设计人员就能在短时间内将概念转化为运行的系统。 在设计周期的早期对 1/0 引脚进行分配以及确认。无论顶层设计是否完成，件都可以进行 1/0 引脚的分配和验证操作，这样印刷电路板的布线设计工作就可以尽早进行。同时，设计人员可以随时根据修改引脚的分 配，不需要进行专门的设计编译。 存储器编译器。 件有存储器编译器功能，这样用户就可以对 支持 及基于 I 下的 计 I 为硬件电路的设计提供了很大的方便。 所以能够广泛应用于电路设计中，就是因为它们有使用相当方便的开发软件工具包，通过编程工具和软件的配合使用，对器件芯片可以进行流畅的开发、校验。 别适用于正向设计，即从电路原理图或各种硬件 描述语言到芯片成品的设计，在这些设计流程中，设计人员对特别底层的硬件知识并不需要特别的了解和掌握，完全可以从功能应用出发，根据任务需求，自顶向下地进行电路设计。下面我们来看看 设计流程，I 环境下的 计过程主要包括 5 个步骤 11： 设计输入 运用电路原理图输入、 本输入等方式，表达设计思想，指定所用 配其外部管脚。 综合 将原理图、 言等设计输入翻译成由基本电路逻辑单元组成的连接网表，供布局布线器进行实现。 布局布线 根据连接网表文件， 进行布局布线的分析和优化，完成 件内、外的虚拟连接。 仿真 仿真分为功能仿真和时序仿真。功能仿真验证电路功能是否符合设计要求；时序仿真包含了延时信息，能较好反映芯片的工作情况。 编程和配置 成功编译后，将生成的编程文件下载到目标 统中调试；调试成功后，烧写到 配置芯片中。 图 软件开发流程。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 无错 无错 建立项目文件 建立设计文件 选芯片，映射管脚 编译下载 文本输入 原理图输入 软件仿真 编译 有错 有错 有错 判断输 入方法 判断是 否有错 判断是 否有错 武汉理工大学毕业设计（论文） 7 图 件开发流程 仿真 仿真分为功能仿真和时序仿真。通常，功能仿真用于验证电路的功能是否正确。本次设计主要是在 软件中进行功能仿真验证。仿真的一般步骤如下： 新建波形编辑文件； 设置仿真时间区域； 保存文件； 导入欲观察的信号节点； 编辑激励信号； 设置数据格式； 设置仿真器参数； 启动仿真和观察仿真结果。 件是 司推出的一款仿真软件，到目前为止，被认为是比较优秀的语言仿真器之一 12。 件提供最友好的仿真环境，是 计的门级以及 电路仿真的首选。 件支持 台，是唯一的一个单一内核支持 合仿真的仿真器 18。它采用直接优化的 k 技术、编译技术和单一内核仿真技术，不但编译仿真速度是业界最快的，而且编译的代码与平台无关，这样有利于保护 ， 件还拥有用户接口和个性化的图形界面，这为用户加快调试提 供强有力的保证。此款软件不但支持 言的 准，以及 95 标准，而且对于基于 的 辑模型和硬件模型也支持，并且支持 C 语言功能调用和 C 的模型。 件的主要特点： 直接编译，仿真速度快； 不但完全支持 际标准，而且支持 与机器没有关联的编译代码有利于保护 进行 合仿真； 与机器和版本无关，便于数据移植和库维护； k 用户可定制仿真器； 实验成功 武汉理工大学毕业设计（论文） 8 简单易用、丰富的图形界面以及快速全面的调试； 拥有加强代码覆盖率功能 以分析出每个分支的执行情况，提高了测试的完整性； 先进的 能，可以方便地访问 者 合设计中的下层模块的信号，便于设计调试； 集成的 助分析性能瓶颈，加速仿真； 支持众多的 家库； 同一波形窗口可以显示多组波形，并且能进行多种模式的波形比较； 集成的 C 调试器， 支持用 C 语言完成测试平台和模块； 支持加密 支持 64 位的 3 曼彻斯特码 曼彻斯特码 (称数字双向码 (分相码 (是常用的二元码的一种，也是常见线路编码中的一种。 字通信中位同步与线路编码 数字通信在近几十年来得到了迅速的发展，其原因是数字通信系统具有许多模拟通信系统不能达到或不容易达到的优越性。数字通信的这些优越性体现在诸多方面，以下是一些容易理解的数字通信的优点 13： 1. 抗 干扰能力强； 2. 便于灵活进行各种处理，可以硬件实现，也可以计算机程序实现； 3. 易于实现集成化、小型化； 4. 易于加密； 5. 容易存储； 6. 各种业务可以结合起来，有利于实现宽带多媒体通信。 数字通信系统虽然优点众多，但是仍然有其固有的缺点，主要体现在同步和误码上面。这些方面的指标是通信系统性能的关键，但同时，这方面的理论和技术也是通信领域研究的重点和难点。 数字通信系统中，有异步通信系统和同步通信系统。在同步通信系统中，数字信号序列是按节拍一步一步工作，因此收发两端的节拍一定要相同。否则将出现 混武汉理工大学毕业设计（论文） 9 乱。另外，发送的数字信号序列常常是编组的，收端必须知道这些编组的头尾，否则无法恢复原始信息。要保证收发两端的节拍一致，必须有同步系统的控制。 同步是数字通信系统以及某些采用相干解调的模拟通信系统中的一个重要问题。由于收发双方不在一地，要使它们能步调一致协调工作，必须要有同步系统来保证。在数字通信中，按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程，是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要，并且不论是基带传输还是频带传输都需要位同步；所提取的位同步信息是 频率等于码速率的定时脉冲，相位则根据判决时信号波形决定，可能在码元中间，也可能在码元中止时刻或其他时刻。位同步又称同步传输，它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。如果基带信号为随机的二进制不归零脉冲序列，那么这种信号本身不包含位同步信号。为了获得位同步信号，就应在基带信号中插入位同步导频信号，或者对该基带信号进行某种变换。这两种方法称为插入导频法和直接法。还有一种方式，将基带信号通过线路编码的方式，使其包含定时信号。 在实现位同步时，具体实现可分为外同步法和自同步法两种。在外同步法中，接收端的同步信 号事先由发送端送来，而不是自己产生也不是从信号中提取出来。即在发送数据之前，发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率，以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。 自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法。自同步法也就是通过编码（线路编码）令数据信号波形的功率谱中包含表达定时分量的线谱的方式达到的。 线路码又称为传输码，它的的结构将取决于实际信道特性和系统工作条件。在实际的传输系统中，并不是所用的码型都适合在信道中传输，原始消息必须编成适合于传输的码 型。不同的信道及传输方式对线路码的要求不同。但是总体的特性如下。 1. 相应的基带信号无直流分量，且低频分量少； 2. 便于从信号中提取定时信息； 3. 信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰； 4. 不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化； 5. 具有内在的检错能力，传输码型应具有一定的规律性，以便利用这一规 律进行宏观观测。 6. 译码设备要尽可能简单。 线路码中的一种 曼彻斯特编码，常用于局域网传输。曼彻斯特码是一种典型使用自同步法保持位同步的线路码型。在曼彻斯特编码中，每一位的 中间有一跳武汉理工大学毕业设计（论文） 10 变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示 1，从 低到高跳变表示 0。 彻斯特码及几种相关的二元码码型介绍 彻斯特码 彻斯特码）又称双相码 。是一种超越传统数字传输极限的编码 /解码方式。常规码型的缺点缺少定位时钟信息。没有定位时钟信息，也就无法 识别受到数据位的开始与结束的宽度等，在通信中需要其他方式解决位同步问题。曼彻斯特编码解决了传输数据没有时钟的问题。它对每个二进制代码分别利用两个具有不同相位的二进制新码去取代。与用高、低电平 表示的非归零二进制码相比，在连“ 0”或连 “1”的情况下更易于提取同步时钟信息，又无直流漂移， 且有强的抗干扰能力，编、译码过程比较简单 14。 图 彻斯特码 由图 知，曼彻斯特码是将 通二进制数据与其位率时钟相异或而得，解决了传输数据没有时钟的问题。当传送信息为“ 1”，曼彻斯特编码由高电 平跳变为低电平；若传送的信息为“ 0”，曼彻斯特编码有低电平变为高电平；如 果有连续的“ 1”或 “0”信息出现时，则曼彻斯特编码保持 “1”或 “0”的跳变， 即编码后，信息“ 0”与时钟一致，信息 “1”与时钟 反相（相位相差 180）。曼彻 斯特编码是一种相位调制，有时钟的 180 相位代表 号的逻辑 “1”电平。 极性非归零波形 曼彻斯特码通常由 与 的时钟异或得到。 这种二元码中低电平及高电平分别与二进制符号 “0”及 “1”一一对 应，在整个码元期间内电平保持不变，电脉冲之间无间隔，即脉冲的宽度等于码元宽度，极性单一。这种信号比较适合于数字电路处理。一般用于近距离的电传机之间的信号传输。 武汉理工大学毕业设计（论文） 11 勒码 曼彻斯特码的一种变形码 密勒码又称延迟调制，它是数字双向 码（曼彻斯特码）的一种变形。在密勒码中，“ 1”用码元周期中点处出现的跳变来表示，而对 “0”则有两种情况：当 出现单个“ 0”时，在码元周期内不出现跳变；但当遇到连 “0”时，则在前一个 “ 0”结束（也就是后一个 “0”开始）时出现电平跳变。由上述编码规则可知， 当两个“ 1”之间有一个 “0”时，则在第一个 “1”的码元周期中点与第二个 “1”的码元周期中点之间无跳变，此时密勒码中出现的最大宽度，即两个码元周期 15。 密勒码实际上是数字双相码经过一级触发器后得到的波形。因此密勒码是数字双相码的差分形式，它能克服数字双相码中 存在的相位不确定问题。 彻斯特码及几种常见二元码的包含定时信息的讨论 曼彻斯特码的目的是为了解决通信的基带信号处理中线路编码的问题，在这样的背景下，对曼彻斯特码及几种常见的二元码的定时分量的的讨论显得非常必要。首先，讨论一般线路传输码的功率谱计算。 一般情况下，数字基带信号所包含的多元信号可能波形各异。此时，数字基带信号可用随机序列 ()( （ 1） 表示。假设每次发送的 N 种不同的信 号元可供选择，即 : ( ) ( ) ; 1, 2 ,t g t i ， N （ 2） 若这一离散信源为马尔可夫源，则可以用稳定概率和转移概率来描述它。稳态概率是 gi(t)的概率为 移概率 gi(t)之后再任一给定码元间隔内发送 gj(t)的功率，当 gi(t)与 gj(t)之间间隔 n 个码元间隔时转移概率记为 n),离散信源 相邻码元的转移概率可以用一次转移矩阵来表示： （ 3） 显然有， 0 ，且 11N ； i=1,2,3， ， N， j=1,2,3， ， N （ 4） 对于相隔 n 个码元间隔的转移概率可以用 n 步转移概率 P(n)表示，其转移矩武汉理工大学毕业设计（论文） 12 阵可以表达为 : ( ) ( ) ( )1 1 1 2 1( ) ( ) ( )() 2 1 2 2 2( ) ( ) ( )12n n n n n N P （ 5） 若由 gi(t)转移到 gj(t)的概率与 gi(t)所在的码元间隔序号无关而只与 gi(t)与gj(t)之 间相距的码元间隔数有关，则称这种马尔可夫源为时齐性马尔可夫元源。对于时齐性马尔可夫源来说。可以证明： n 步转移概率矩阵可以由一次转移概率矩阵自 乘 n 次得到，即 ： P（ n） =此， n)是 阵中的第 元素。 根据以上的描述，一般情况下的随机序列功率谱密度： 22211*21111( ) ( )2R e ( ) ( ) ( )i f T si i j i G f P G T f G f P （ 6） 其中， ()1() P Z （ 7） 式（ 6） 的第一项为线谱，但当 1( ) 0N （ 8） 时，此项消失。此时应有： 1( ) 0N g t （ 9） 对线路码的功率谱分析可知，只有当线路码的功率谱中存在线谱时，线路码中才包含定时信息。也就是在狄拉克函数为 1，即频率为 k/，表示每一位有位定时信息来源。 以下使用以上的公式，对 ，曼彻斯特码及密勒码的功率谱做计算分析，分析几种码型中的线谱成份，从而对其提供定时信息的能力作出判断。 以下的功率谱的仿真图，为归一化功率谱 T 为码元周期。 的功率谱计算如下： 单极性二元谱的功率谱的连续部分为： 武汉理工大学毕业设计（论文） 13 2221222() 1 1 1 1( ) 2 ( ) ( 2 )2 4 4 4()4 C O S k f (10) 离散线谱是否存在取决于单极性基带信号矩形脉冲的占空比。对于非归零信号来说，脉宽等于周期， k 不为零时， G（ k/等于零，因此除了直流分量外不存在离散线谱。 P=1/2 时， 功率谱图在 仿真如 图 图 单极性不归零码的功率谱 数字双向码的功率谱计算如下： 数字双向码中两种信号元分别为 1, 0 / 2(), / 2t t T （ 11） 和 21( ) ( )g t g t（ 12） 代入式 6，可求得 22204222( ) ( 1 2 )s i n ( / 2 )+ 4 ( 1 )( / 2 )n P A （ 13） 如果 P=1/2，则线谱消失，上式简化为： 422s i n ( / 2 )()( / 2 )ss （ 14） 除此情况外，曼彻斯特码具有丰富的位定时信息。 武汉理工大学毕业设计（论文） 14 以下是在不同 P 值情况下的功率谱仿真图。 图 P=的功率谱图。这样的情况出现在 “0”和 “1”的概率比为 1： 1的情况，比如编码前二进制随机码为全“ 0”或全 “1”的情况。 图 P=曼彻斯特码功率谱图 图 =的曼彻斯 特码的功率谱图，图 P=曼彻斯特码的 功率谱中的线谱图。从图中可以看到有线谱资源，表明有可提取的位定时信息。 当 P=，编码前二进制随机序列中的 “1”的概率为 图 =的曼彻斯特码的功率谱图 武汉理工大学毕业设计（论文） 15 图 P=的曼彻斯特码的功率谱中的线谱图 密勒码的功率谱计算如下： 密勒码中 4 种信号元分别为： 1423( ) ( ) , 0, 0 / 2( ) ( ), / 2sS t S t A t TA t T sS t S s t T s （ 15） 它们出现概率均为 1/4。 图 勒码 功率谱图 密勒码是典型的时齐性马尔可夫源，套用以上的推导过程，得到密勒码的功率谱密度为： 武汉理工大学毕业设计（论文） 16 ( ) ( ) ( )1 1 1 2 1( ) ( ) ( )() 2 1 2 2 2( ) ( ) ( )12n n n n n N P （ 16） 图 图 种码型功率谱对比图 对上述的三种线路编码的功率谱图对比分析可以知 16： 1. 除 外，密勒码及曼彻斯特码的功率谱中都不存在直流分量； 2. 密勒码的信号能量主要集中在二分之一码率以下的频率范围内，频带宽 度是曼彻斯特码的一半，曼彻斯特码的频带较其他两种码型宽（以上几种码型的功率谱都 是在以相同的 m 序列为基础绘出）； 3. 曼彻斯特码功率谱中线谱丰富，可以提供充足的位定时信息 ； 4. 当 据始终为 “1” 或 “0” （及零频率成份）时，可以看出曼彻斯 特编码信号的频率于位率时钟相同，为 。当 据总是 “1” 和 “0” 交替变化（即最高频率成份， ）时，曼彻斯特编码信号的频率是位率 时钟的一半 ，且于 据频率相同，相位提前 90。曼彻斯特编码的最大编码频率是时钟频率 小频率是时钟频率的一半 ，因此， 曼彻斯特编码不仅使传输信号的信息内容增加， 而且也将 号的频 带上移，同时去除了 据中零率成份。曼彻斯特编码是将基带的 号，经于时钟调制后，变为频带传输信号，它不仅去除 号 中接近零频率的分量，更适合远距离的传输，而且增加时钟信息。 彻斯特码的优点 由于曼彻斯特码采用跳变沿来表示 0 或 1，与二进制码相比，具有如下优点 17： 武汉理工大学毕业设计（论文） 17 此具有丰富的定时信息，便于接收端提取定时信号。若采用二进制传输，当出现连续的 0 或 1 时，则无法区分两位元之间的边界。 的转变，因此，传输时无直流分量，可降低系统的功耗。而对于二进制波形，当出现连续的 1 时，将有直流分量的产生。 彻斯特码的应用范围 曼彻斯特编码已经被许多高效率且被广泛使用的电信标准所采用，例如以太网电讯标准 . 曼彻斯特编码是一种超越传统数字传输的信道编码技术，由于其具有隐含时钟、去除了零频率信号的特性使得它在石油勘探测井中也得到广泛的应用 18。 的应用 曼彻斯特码由于其特殊的性能，被广泛应用于小功率无线传输系统中。曼彻斯特 编码是申行数据传输的一种重耍的编码方式。曼彻斯特编码最大的优点是 :数据和同步时钟统一编码，曼码中含有丰富的时钟信号，直流分量基本为零，接收器能够较容易恢复同步时钟，并同步解调出数据，具有很好的抗干扰性能，这使它更适合于信道传输。 牌总线标准采用了此种传输技术。 曼彻斯特编码被使用作一个以太网局域网的物理层 ,对于一个以太网局域网用同轴电缆作为传输介质，额外的带宽不是重要的问题。 线的带宽有限，为了达到 100 数据速率需要更高效率的编码方法，必要使用一个 4b/5b 码方案。它使用 (代替曼彻斯特编码使用的两个电平值 )三个信号电平值，因此可以实现100 号的数据速率且只需要占仅 31 带宽 . 范采用三电平符号传输系统取代 10二电平曼彻斯特编码，能实现快速以太网的兼容性。这种方案采用一种最初为 纤分布式数据接口）系统开发的 4B/5B 编码。这种编码将 4 位数据半字节转换为 5 位编码，用以实现错误检测和增加控制码，例如数据流起始和终止定界符。将符号率提高到 125 补偿 4B/5B 内在的 20%数据传输效率，但是这 种带宽增加所产生的频谱会被曼彻斯特编码扩展到数百兆赫。衰减损耗和 题使这种方法无法使用，所以 100用了 电平转换三电平）载波。吉比特以太网使用五电平值和 8b/10b 编码方案，在有限的电缆带宽下更有效率，在 100 带宽以内提供 1数据 速率。 测井系统中的应用 测井技术发展到今天，已经发生了很大的变化：一是由模拟测井技术发展到了数字测井技术；二是由数字测井技术发展到了数控测井技术。进入 90 年代，成像测武汉理工大学毕业设计（论文） 18 井技术获得了较大的发展，测井系统中需要传送的数据信息 量越来越大，为此必须解决数据的高速传输与正确接收两个问题，如相关编码技术、缆芯多路复用技术、基带均衡技术等用以提高数据传输速率和降低误码率 于曼彻斯特码既能提供足够的定时分量，又无直流漂移，编码过程相对简单，因而曼彻斯特（ 是测井数据传输中常用的编码方式之一。 目前，在实际的工程测井中，常采用 译码器 测井数据转换为 及把 解码为数据 送数据输入及接受数据输出均为串 行方式，并且 码、解码是以 16 位数据为基本单位，逻辑上要求使用 16 位的并入串出移位寄存器和 16 位的串入并出移位寄存器与单片机接口，这样硬件结构比较复杂，仪器成本较高 用单片机软件来实现 码和解码功能 . 在油田测井中，井下仪在井下采集大量 信息，并传送给地面测井系统；但井下仪到地面段信道的传输性能并不好，常用的 不适合在这样的信道里传输，而且 含有丰富的直流分量，容易引起滚筒的磁化，因而选用了另外一种编码 曼彻斯特码。曼彻斯 特编码串行数据传输的一种重要的编码方式。和最常用的 相比，曼彻斯特码具有很多优点。例如，消除了 的直流成分，具有时钟恢复和更好的抗干扰性能，这使它更适合于信道传输。 彻斯特编码规则 曼彻斯特编码提供了一种简单的方法在长时间段内没有电平跳变的情况下，仍然能够对任意的二进制序列进行编码，并且防止在这种情况下同步时钟信号的丢失以及防止低通模拟电路中低频直流飘移所引起的比特错误。如果保证传送的编码交流信号的直流分量为零并且能够防止中继信号的基线漂移，那么很容易实现信号的恢复和防止能量的浪费。曼 彻斯特码具有丰富的位定时信息 19。 曼彻斯特编码电平跳变的规则是：低电平的中间时刻跳变表示 0，用高电平中间时刻的跳变表示 1，如下图 示。 图 彻斯特编码 因而 这样 防止 时钟同步 的丢失，或来自低频率位移在贫乏补偿的模拟链接位错误。在这个技术下，实际 上的二进制数据被传输通过这个电缆，不是作为一个序列的逻辑 1 或 0 来发送的 。它 具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平，所以 数据传输速率 只有调制速率的 1/220。 上跳为 0 下跳为 1 武汉理工大学毕业设计（论文） 19 在 1949 年第一次提出了的曼彻斯特编码方案，是一个被应用在物理层的同步时钟编码技术用来将时钟和数据编码统一在一个同步比特数据流中。在这项技术中 ,在电缆上被传送的真实二元数据不是以一连串的逻辑序列 1 或者 0 来表示的 (这项技术也是一种不归零码 这些要传送的数据比特被转换成一个略微不同格式 ,比起直接用二进制码 (有许多的优势。在曼彻斯特编码方案中 ,比特周期中间的0 到 1 跳变表示逻辑 0，比特周期中间的 1 到 0 的跳变表示逻辑 1。注意信号跳变不一定在 特边界（一个比特和 另外一个比特 )之间的分界线，但是总是发生在每个比特的中间位置 。 注意 :在有些情形下你将看到编码方案相反的情况。把逻辑 0 表示为 0 到 1 的跳变 以太网蓝皮书和美国电气及电子工程师学会标准 10 绘了逻辑 0 被发送成是 0 到 1 的跳变，逻辑 1 表示成 1 到 0 的跳变。（零被表示成电缆上的更小的负电压） 这个信号在线缆上与编码器的输出恰恰相反。差分物理层传输（例如 10能容忍这种反转。 下面的简图展示了一个典型的被寄送数据 (1,1,0,1,0,0)编码后的相应的曼彻斯特编码信号的发送 图 (1,1,0,1,0,0)编码后的相应的曼彻斯特编码信号 方波波形表曼彻斯特码比特流承载一个比特序列 110100. 曼彻斯特编码可 以选择性的看成为一种相位编码 ,每一个比特被编码成正向 90度的阶段相位转变或者负 90 度的相位转变 彻斯特编码信号包含频繁的电平跳变 ,这使得它可以允许接收器运用数字锁相环提取精确的时钟信号并且实现每个比特的定时和正确解码。为了保证数字锁相环可靠运作 ,被传送的比特流必须包含有高密度的比特跳变。曼彻斯特编码保证了这一点，可以应用数字锁相环精确提取时钟信号。相位曼彻斯特编码能消耗大约两倍的原来信号 (20 带宽。这就是作为电平频繁跳变的代价，对于一个 10 域网 ,信号频谱值在 5 和 20 间。 在曼彻斯特编码方案中 ,比特周期中间的 0 到 1 跳变表示逻辑 0，比特周期中间的 1 到 0 的跳变表示逻辑 1。注意信号跳变不一定在 特边界（一个比特和另外一个比特 )之间的分界线，但是总是发生在每个比特的中间位置。 武汉理工大学毕业设计（论文） 20 曼彻斯特编码的缺点在于为每一比特进行电平跳变的结果是曼彻斯特信号编码所要求的带宽相比异步通讯要高一倍，并且其频谱也更宽。虽然曼彻斯特编码是一种高度可靠的通信方式 ,带宽要求被视为其不利之处，在达到的同样的目标的情况下，其更好的编码表现和更小带宽要求 使得最现代化的通讯协议随着更现化的线性编码不断发展。 武汉理工大学毕业设计（论文） 21 4 系统方案设计 码电路的设计 在每个周期的开头加同步字头 ,数据输入时，输入时间将持续 16 个编码周期，若输入的数据信元为“ 1”，编码就通过输出一个下降沿来表示，当输入数据为“ 0”时，编码则输出一个上升沿。数据位输入结束后，编码器将对输入的数据信元进行奇偶校检，如果在输入的数据信元中“ 1”的个数为奇数，编码器输出一个上跳变电平，反之若数据信元中“ 1”的个数为偶数则输出一个下跳变电平，如图 示。 图 码器设计思路 编码器的输入时钟采用 12输入。同步头标志信号同时也为数据的写信号。当 号有效（为高电平时），编码单元将 的 16 位有效 数据读入并添加命令字同步头同时进行曼彻斯特编码；同理数据字同步头标志数据字开始发送的写信号。由于同步头的高低电平各占 位时，所以选取它的发送时钟为 2时钟由输入时钟的 6 分频得到。同步字头产生 完成后则发出控制信号开始移位。移位时钟 1同步头生成时用的时钟两分 频得到。在数据移位完成后自动添加奇偶校验位。曼码编码器对数据、奇偶位、同步头进行处理形成符合 1553B 标准的双极性字 送完成 后 为高电平，等待下一个数据的写入开始再一次新的编码过程，其逻 辑原理框图如图 示。 生成 同步字头 码型 转换 移位及 奇偶校 验 检查 周期 武汉理工大学毕业设计（论文） 22 系统数据 输出 并行数据 输入 图 码器逻辑框图 根据上述系统的设计要求，系统主要由两大模块组成：并串 转换器、曼彻斯特编码器。在系统外部由 16 位并行信号线供给，经过系统的两个模块后输出曼彻斯特编码信号。在信号的编码方面本设计经过很多次修改，编码没有信号的丢失，并且奇偶校验位的数据匹配，完全满足系统设计的四点要求 ,系统框图如 示。 图 统原理框图 串转换器的设计 串并转换主要工作是将 16 位并行数据转换为曼彻斯特能够编码的串行数据。它主要由时钟信号、转换使能信号控制。当 号高电平时就开始输出 当前 16 位并行数据。它的流程图如图 示。 并串转换模块 曼彻斯特编码 武汉理工大学毕业设计（论文） 23 图 串转换流程图 转换为曼彻斯特码 由于曼彻斯特编码是将 通二进制数据与 其位率时钟信号相异或而得，因此，首先要产生位率时钟信号，同时，要解决位率时钟与 的同步问题 保证 个码元宽度占用一个周期的位率时钟信 号，并且保证 元输入时，立即产生位率时钟，这 样就可以保证位率时钟与 的同步。 保证了位率 时钟与 同步， 然后将 与位率时钟异或， 便可以得到最 终的曼彻斯特编码。 本设计是在第一个 位率时钟 下降沿 开始产生曼彻斯特编码， 在位率时钟 出现下降沿时，将 与位率时钟异或，相当于与 “ 0”异或，在位率时钟出项上升沿时，将 与位率 时钟异或，相当于与“ 1”，输入 16 位 ，产生 32位 曼彻斯特编码，最终输出转换完成标志位。 曼彻斯特码编码过程可分为三部分： 1)检测编码周期是否开始，产生同步字头； 2)进行输入数据的曼彻斯特编码； 3)产生奇偶校验位并对其进行编码，编码周期结束。 编码器的设计流程如图 示：当使能 信号为高电平时，编码周期开始，当 同步选择信号 “ 1”，输出信号为命令同步，若为“ 0”，表示输出信号为数据同武汉理工大学毕业设计（论文） 24 步，当输入数据使能信号 “ 1”时，表明允许数据输入，输入时间将 持续 16个编码周期 ，若输入的数据信元 “ 1”，编码就通过输出一个下降沿来表示， 当输入数据为“ 0”时，编码则输出一个上升沿。数据位输入结束后，编码器将对输入的数据信元进行奇偶校检，如果在输入的数据信元中“ 1”的个数为奇数，编码器输出一个上升沿，反之若数据信元中“ 1”的个数为偶数则输出一个下降沿。 图 曼彻斯特 编码流程 码电路的设计 体设计 解 码的过程可分为 三 部分 21： 1） 同步字头 检测 ，并辨别其为数据字还是命令字 。 2） 对曼彻斯特码形式的数据进行解码。 3