（通信与信息系统专业论文）4m码率的曼彻斯特编解码器的设计与实现.pdf

摘要 摘要 本课题是国家“8 6 3 ”计划磁悬浮列车车地通信系统子课题，课题完成的是 4 m 码率的曼彻斯特编解码器的设计与实现。本课题涉及车地通信系统中基带的 信道编解码和无线信道的收发，完成通信系统中基带信号处理部分的部分功能。 在数字通信中，同步是一个重点。为了保证在同步传输系统中的位同步，有导频 及对基带信号信号直接变换的方式，直接变换的方式中，使用线路编码是比较常 见的。经过线路编码，可以使基带信号含有定时信息，解决了通信中的位同步。 由于磁悬浮的特殊性，通信系统必将在高速及复杂多变的野外环境下工作。为了 保证通信质量，合适的线路编码的实现显得非常有意义。本文首先讨论了线路编 码与实现通信中位同步的关系，以此为出发点，讨论了曼彻斯特码作为一种线路 码于其他码型的相对优势，而后研究了编解码器实现方案中的几种待选方案，并 对几种方案做了对比论述后，设计了合适的方案，接着详细研究了曼彻斯特码编 解码器的硬件实现并进行了仿真。 本文中的主要工作如下： 1 根据项目需要，结合通信中线路编码与位同步的相关知识，讨论并且设计了基 于f p g a 的4 m 码率曼彻斯特码编解码器的实现方案。 2 使用h d l 语言，编写编解码的各个模块，并完成仿真验证。 3 设计编解码器的原理图及电路板，完成单板的软硬件调试。 4 参加系统调试。 关键词：线路码，曼彻斯特码，f p g a a b s t r a ( 丁 a b s t r a c t t h i sp r o j e c ti sp a r to ft h em a g l e vc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp r o j e c t ，al a r g ep r o j e c t s p o n s o r e db yt h en a t i o n a l “8 6 3 ”p l a n t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sh o w t od e s i g na n d i m p l e m e n tt h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n go fm a n c h e s t e rc o d ew i t hab i tr a t eo fa b o u t 4 m b s o t h e rs u b - p r o j e c t si nt h em a g l e vc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp r o j e c t sd e a lw i t ht h e c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l ，i n c l u d i n g b a s e b a n d s i g n a le n c o d i n g a n d d e c o d i n g ， t r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gt h ew i r e l e s ss i g n a la n db a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n gt h e t e c h n i q u eo fs y n c h r o n i z a t i o ni sd e e p l yr e q u e s ti nt h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m t h e r ea r ed i f f e r e n tw a y st om a k et h eb i ts y n c h r o n i z a t i o n ，f o re x a m p l e ：t h et e c h n i q u eo f t h ep i l o tf r e q u e n c y , t h et e c h n i q u eo fs o m ec h a n g ea b o u tt h eb a s e b a n ds i g n a l t h el i n e c o d ej sa ne f f i c i e n tw a yt om a k et h eb a s e b a n dd i 百t a ls i g n a lh a v es o m em a s s a g ea b o u t t h eb i ts y n c h r o n i z a t i o n d u et ot h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so fm a g l e v , t h em a g l e v c o m m u n i c a t i o ns y s t e mm u s tb eg u a r a n t e e dt h eq u a l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o ni nt h e f i e l dw i t hr a n d o m l yv a r y i n ge n v i r o n m e n t t h el i n ec o d ei sv e r ye f f i c i e n tf o rb i t s y n c h r o n i z a t i o n i nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n di ti su s e f u lt oc h o o s et h e a p p r o p r i a t el i n ec o d e t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e s t h ea d v a n t a g e so ft h em a n c h e s t e r c o d e ，t h e ns t u d i e st h ew a yt or e a l i z et h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n go ft h em a n c h e s t e r c o d e ，a n di n t r o d u c e st h ep r o c e s so ft h ej o i n t d e b u g g i n go nt h ew h o l es y s t e m t h ec o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 d e s i g n i n gt h em a i ns t r u c t u r eo ft h ep r o j e c ta c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n t 2 i m p l e m e n t i n ga n ds i m u l a t i n gt h em a i np r o g r a mi nf p g a 3 g e n e r a t i n gt h es c h e m a t i c a n dt h ep c bl a y o u t ，d e b u g g i n gt h es o f t w a r ea n d h a r d w a r e 4 t a k i n gp a r ti nt h ej o i n t d e b u g g i n go nt h ew h o l es y s t e m k e yw o r d s ：l i n ec o d e ，m a n c h e s t e rc o d e ，f p g a i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 、 签名： 2 垴日期：访0 6 年。月订日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学萎耋美规笔师签名：熟 签名： 么。盔崮导师签名- 竺、 日期渺6 年钥呵日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 本课题完成的是上海磁悬浮中车地通信系统部分的基带信号处理中的线路编 解码部分的工作。磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸 型，以德国高速常导磁浮列车t r a n s r a p i d 为代表，常导型高速磁悬浮列车的速度可 达每小时4 0 0 5 0 0 公里。而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本m a g l e v 为代表速度可达每小时5 0 0 公里以上。这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经 济技术指标，德国主要集中精力研制常导高速磁悬浮技术；而日本则全力投入高 速超导磁悬浮技术之中。 中国第一条高速磁悬浮铁路商业运行线是2 0 0 1 年3 月1 日开工建设的上海磁 悬浮列车示范线。2 0 0 2 年3 月，这条磁悬浮列车示范线下部结构工程竣工上海磁 悬浮列车示范线西起上海地铁2 号线龙阳路车站南侧，东到浦东国际机场一期航 站楼东侧，线路总长3 1 1 7 公里，设计时速和运行时速分别为5 0 5 公里和4 3 0 公 里，总投资8 9 亿元。此次竣工的线路下部结构工程，包括高架桥墩( 台) 1 5 5 4 座、龙阳路车站、维修基地及两座牵引变电站。上海磁悬浮中使用的为常导磁悬 浮列车。在如此高速的情况下，磁悬浮的车地通信的质量显得格外重要。本课题 讨论的内容为磁悬浮车地通信系统部分中的基带通信部分中的线路编码问题。合 适的线路编码可以解决通信中同步的问题，这对整个通信系统的性能起着一定作 用。 在数字通信中，数字信号的传输有位同步的问题【4 。任何消息都是一连串信 号码元序列，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻，才能在恰当的时刻进行 取样判决。通常将在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序 列的过程称为码元同步或位同步，而称这个定时脉冲序列为码元同步脉冲或位同 步脉冲。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。 基带信号若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 电子科技大学硕士学位论文 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 方式就是将基带信号编码为在频谱中含有定时分量的线路码，这样可以在接收 端提取码元定时信息，也就是线路编码的方式。 在本课题中，在解决位同步的问题上，选择了使用线路编码这种最为适合本 项目情况的方式。 1 2 国内外发展动态 本课题讨论的是常导磁悬浮列车的通信，其从属于常导磁悬浮列车系统，在 此方面德国处于世界领先位置。德国磁悬浮系统中的通信系统是一个非常有力的 参考，而德国的西门子也是磁悬浮项目中的外方合作伙伴。西门子是i e c 6 1 3 7 5 即列车通信网络( t n q 标准提出者之一。所以i e c 6 1 3 7 5 标准对磁悬浮的车地通信 有一定参考价值。 i e c 6 1 3 7 5 ”1 是i e c 联合u i c 经过十年的工作制定的一个用于规范车载设备 数据通讯的标准。列车通信网络属于局域网，它采用两层的拓扑结构。上层为绞 线式列车总线即为用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通讯网络w t b 和下 层多功能总线即用于连接车辆内固定设备的车辆通讯网络m v b 。列车总线用于 连接经常相互连挂和解连的重连车辆，传输速率为1 m b p s ，传输介质为屏蔽双绞 线。车辆总线用于连接各个车辆内的控制单元和设备，传输速率为1 5 m b p s ，传 输介质分为电气短距离和电气中距离及光纤。一列列车中只能有一条列车总线， 但可以有多条车辆总线。列车总线和车辆总线通过节点来连接，一般每节车辆有 一个节点。 基于分布式控制的m v b ( 多功能车辆总线1 是i e c 6 1 3 7 5 一l ( 1 9 9 9 ) t c n 的标准方 案，它与w t b ( 绞线式列车总线1 构成的列车通讯总线具有实时性强、可靠性高的 特点。m v b 是主要用于有互操作性和互换性要求的互联设备之间的串行数据通 讯总线，除用于车辆通讯，也可用作其它现场总线。 m v b c ( 多功能车辆总线控制器、是m v b 总线上的新一代核心处理器，它独立 于物理层和功能设备，为在总线上的各个设备提供通讯接口和通讯服务，是目前 最先进的m v b 控制器，m v b 与m v b c 的关系密切。m v b 在物理层提供冗余； 采用可靠的曼彻斯特编码以及c r c 校验，每6 4 位帧数据后加8 位c r c 校验码： 按照实时性不同提供两种数据的支持等。m v b 的帧分为主帧和从帧，分别有帧 2 第一章绪论 头、校验码以及帧尾构成，不同帧的类型通过帧头来判断。 西门子的磁悬浮的通信设备中参考了一定i e c 6 1 3 7 5 中的规定，在物理层上 也采用了曼彻斯特编码。但是一般的列车通信于磁悬浮相比较，有相似处，同时 也有很大不同，比如车载总线中的传输速率仅为1 5 m b p s ，与磁悬浮的通信系统 指标要求相差甚远。 日本对超导型磁悬浮列车的研究在世界上处于主导地位。对超导型磁悬浮列 车的通信方案的研究，日本也处在领先位置。但由于商业保密等问题，能获得的 与超导型磁悬浮列车通信方案研究相关的技术信息非常有限，此处不作介绍。 1 3 论文设计目标和研究内容 本论文设计目标是对4 m 数据率的曼彻斯特编解码的设计与实现，将用于国 家8 6 3 项目“上海磁悬浮的车地通信”中。磁悬浮的设计时速和运行时速分别为 5 0 5 公里和4 3 0 公里，在这样特殊的高速环境中，编解码需要考虑如何在高速的 环境下正常工作，并且磁悬浮列车行驶时外界环境复杂，设计时需要考虑更多影 响因素。 根据课题的具体要求，考虑曼彻斯特码作为线路码型具有易于提取位定时信 息等特点，设计了基于f p g a 的曼彻斯特编解码器。该模块完成了车地通信系统 中基带信号处理部分的线路编码功能，并达到了与后端分集及调制后无线信道传 输衔接的要求。 论文中主要的工作包括： 1 根据线路编码等相关知识及项目要求设计曼彻斯特编解码器的方案。对 曼彻斯特码及其他可用的线路码进行了研究比较，选择曼彻斯特码作为 线路编码。 2 讨论了使用专用芯片完成编解码方案、使用d s p 完成编解码方案及使用 f p g a 完成编解码的三种方案，最终选择了使用f p g a 完成编解码。 3 对f p g a 中编解码算法进行前期算法级仿真，然后用h d l 硬件描述语言 在f p g a 上实现。 4 设计系统原理图及电路板，完成调试。 5 参加系统的调试。 本论文第一章为绪论，总体介绍课题背景。第二章介绍数字通信中中线路编 码与同步技术的基本知识，着重介绍了曼彻斯特码作为一种线路编码码型在传输 电子科技大学硕士学位论文 中位同步上的优势。第三章对曼彻斯特编解码器的设计原理做介绍，根据系统设 计要求，设计出符合要求的编解码器方案。第四章为曼彻斯特码编解码器具体的 实现。第五章介绍了系统的硬件电路板和整个系统的软硬件调试。第六章为全文 结论及后期工作展望。 4 第二章曼彻斯特码 第二章曼彻斯特码 曼彻斯特码( m a l l c h e s t e r ) 又称数字双向醒j ( d i g i t a ld i p h a s e ) 或分相码( b i p h a s e s p l i t p h a s e ) ，是常用的二元码的一种，也是常见线路编码中的一种。 2 1 数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【1 】= 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【2 】。 同步1 4 1 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 电子科技大学硕士学位论文 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【4 】。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 ”。 第二章曼彻斯特码 2 2 曼彻斯特码及几种相关的二元码码型介绍 2 2 1 曼彻斯特码 m a n c h e s t e r ( 曼彻斯特码) 又称双相码q 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。 001l0 1 n r z 数据 厂 厂 厂 厂 厂 厂时钟信号 0011o 1 r 厂 r 厂 曼彻斯特码 图2 1 曼彻斯特码 由图2 - 1 可知，曼彻斯特码是将n r z 普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1 8 0 ) 。曼彻 斯特编码是一种相位调制，有时钟的1 8 0 相位代表n r z 信号的逻辑1电平。 2 2 - 2 单极性非归零波形 曼彻斯特码通常由n r z 码与n r z 码的时钟异或得到。 n r z 码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。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 密勒码一一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) 的一种变形吼在密 勒码中，1 用码元周期中点处出现的跳变来表示，而对“o ”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。 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。 2 3 曼彻斯特码及几种常见二元码的包含定时信息的讨论 本课题中，讨论曼彻斯特码的目的是为了解决在磁悬浮的车地通信的基带信 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 5 ( f ) = ：s n o 一”i ) ( 2 1 ) 表示。假设每次发送的= ( t n t s ) ：有- n 种不同的信号元可供选择，即 s n ( f ) & o ) i = 1 ，2 ，) ( 2 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g i ( t ) 的概率为p i ，转移概率b 是在发送g i ( t ) 之后再任一给定码元间隔内发送 g j ( t ) 的功率，当g i ( t ) 与舀( t ) 之间间隔n 个码元间隔时转移概率记为p i i ，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： 显然有 p = 与。置：一号 e 。易最。 昂。目： 弓苫oj 且善弓。1 ；口l 2 ，3 ，= 1 ，2 ，3 ， 8 ( 2 3 ) 第二章曼彻斯特码 对于相隔1 1 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 阵可以表达为 p ( “) ； 露 磁 惑 础 瑞础础 ( 2 - 4 ) 若由g i ( t ) 转移到g j ( t ) 的概率与g i ( t ) 所在的码元间隔序号无关而只与g i ( t ) 与目( 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 ”= p ” ( 2 - 5 ) 因此，p i j ( n ) 是p 矩阵中的第i j 项元素。 根据以上的描述，一般情况下的随机序列功率谱密度 舻c ，2 专重l 砉# g ( 号) 6 ( ，一芝) + 丢誊号i g c ，汗 。：固 + 专k 【善再瞩弋，) a j ( f ) p o ( e 1 2 巩 其中，p i i 定义为 弓( z ) = z “ ( 2 _ 7 ) 式( 2 6 ) 的第一项为线谱，但当 = 。 p s ， 时，此项消失。此时应有 ( f ) = o ( 2 - 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 ，r s 时，表示每一位有 位定时信息来源。 以下使用以上的公式，对n r z 码，曼彻斯特码及密勒码的功率谱做计算分析， 9 电子科技大学硕士学位论文 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r 为码元周期。 n r z 码的功率谱计算如下： 单极性二元谱的功率谱的连续部分为 = 警爿2e 1 + z 辨孑1c o s ( 2 删z ) 1 4 2l o ( f ) 1 2 4 巧 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 等于周期，k 不为零时，g ( k t s ) 恒等于零，因此除了直流分量外 不存在谱。p = 1 2 时，n r z 的功率谱图在m a t l a b 中仿真如【1 3 l 下图2 2 所示： 单极性不归霉码功率谱 樾 糌 督 s 县 图2 - 2 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 啪，= 麓z 三 和 g ：( f ) = 一毋p ) 将他们代入式( 2 6 ) 可求得 1 0 第二章曼彻斯特码 彤m 研耋。( ，一号)，品胍，i ， + 4 p o 一尸， 篱 爿2 i 如果p = 1 2 ，则线谱消失，上式简化为 彤m 2 互觜 除此情况外，曼彻斯特码具有丰富的位定时信息。 以下是在不同p 值情况下的功率谱仿真图。 图2 - 3 为p = 0 5 时的功率谱图。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。 翘 斟 督 基 里 图2 - 3p = 0 5 时曼彻斯特码功率谱图 图2 4 为p = 0 4 时的曼彻斯特码的功率谱图，图2 5 为p = 0 4 时曼彻斯特码的 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 = 0 4 时，编码前二进制随机序列中的“1 ”的概率为0 4 。 电子科技大学硕士学位论文 按 瓣 督 基 里 翘 褂 督 芒 里 p = 口4 时曼彻斯特码功率谱线谱+ 连续谱 归 图2 - 4p = o 4 时的曼彻斯特码的功率谱图 p = o4 a 3 - 曼彻斯特码功率谱线谱 图2 - 5p = o 4 时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： 1 2 第二章曼彻斯特码 墨p ) = 一、叉o ) = 4o 2 0 0m h z1 8i 8n s 2 , 5 0m h z1 51 5n s 3 0 0 m h z1 3n a 使用d l l 是输出时钟的抖动及相位信息如表4 - 2 所示： 表4 - 2d l l 输出时钟的抖动及相位信息 c l k d l l h fc l k d l l s y m b o ld e s c r i p t i o n f c 啪n m i nm “m i nm a xu n i t s t i p t o l i n p u td o c kp e r i o dt o l e r a n c e 1 o1 on 8 咱i t c ci n p u tc l o c k j i t t e rt o l e r a n c e ( c y c l e - t c - c y c 1 5 03 0 0 d s t l o c k l i m er e q u i l e d f o rd l l t oa c q u i r ei o c “” m h z 2 0 2 0 l i s 5 ( 0 m h z2 51 1 3 5 0m i i z 5 0l l s 3 0 - 4 0 m h z 9 0 帖 2 5 3 0 m h z1 2 0i l s b i t c co u t p u t j i t t e r ( e y e l e 4 0 - c y d e ) f o r a n y d l l c l o c k o u l p u i 倚 6 0- + 6 0 p s t p h i o p h a s eo f f s e tb e l w e e nc l k i na n dc l k o 秘1 0 0 “o od s t p h 0 0 p h a s e o f l s e l b e t w e e nc l o c ko u l p u t s o n t h edl l ( 4 |+ 1 4 0：t t 4 0d s t p h i o m p h a s ec l f l e r e n c e b e t w e e nc l k i na n d 乱k o 国+ 1 6 01 6 00 s t p h o o m p h a s e d f f e r e n c e b e t w e e nc l o c ko u t p u t s o n t h ed l l i $ )2 0 02 0 0 为了提供1 6 3 8 4 m h z 的高倍时钟，使用p f g a 中的d l l 模块。由于选用的 芯片为x c 2 s 3 0 0 ，芯片中有四个d l l 模块资源，且每个d l l 模块能完成二倍频 的功能，根据芯片中d l l 的使用要求考虑，可以使用以下方式：选用4 0 9 6 m h z 的晶振，使用f p g a 中两个d l l 模块，进行四倍频，得到1 6 3 8 4 m h z 的时钟。 使用h d l 语言实现后框图如下图4 1 2 所示： 4 3 电子科技大学硕士学位论文 图4 1 2 使用d l l 进行4 倍频后的电路框图 其中c l k i n 为时钟输入； c l k 4 x 为四倍频后的时钟输出。 使用h d l 语言编写测试程序，在m o d e l s i m 中的仿真波形如图4 1 3 所示： 图4 1 3 倍频模块的仿真 如图所示，倍频效果良好。 除使用f p g a 中的d l l 完成倍频，还可以考虑使用倍频芯片。 这里选择i c s 5 1 2 2 2 1 。i c s 5 1 2 使用锁相环技术，能够由相对较低的时钟输入 或晶振有效产生高质量的高频率时钟输出。使用这种芯片，输入晶振的范围是 5 - 2 7 m h z ，时钟输入的范围是2 - 5 0 m h z 。， 片中的r o m 有9 种可以选择的方式， 最高能产生2 0 0 m h z 的时钟输出。使用 能够产生较多种的常用时钟频率输出。 i c s 5 1 2 的输出抖动较低，但是对输入的输出的抖动漂移则限制较小。i c s 5 1 2 的 结构如图4 1 4 所示： 第四章曼彻斯特码编解码算法f p g a 的实现 图4 1 41 c s 5 1 2 的结构图 使用不同的管脚配置，i c s 5 1 2 可以完成九种不同的倍频功能。如表4 3 所示： 当将s 1 于s 2 置高电平，完成对芯片的8 倍频配置，且使用2 0 9 8 m h z 的晶振就 可以得到1 6 3 6 4 m h z 的频率。 表4 - 3i c s 5 1 2 倍频时的管脚配置 c l o c ko u t p u tt a b l e s 1s oc l k oo 4 x i n p u om5 3 3 3 xi n p u t o 1 5 x i n p u l mo2 5 xi n p u t mm2 xi n p l i t m13 3 3 3 xi n p t l l j o6 xi r l p u l 1 m 9 x n p u l 11 8 x l n p u t o = c o n n e c t d i r e c t l yt og r o u n d 1 ；c o n n e c td i r e c t l yt ov d d m = l e a v eu n c o n n e c t e d ( f l o a l i n g ) 4 2 6 全局时钟资源的使用 本课题中在最后的调试过程中，出现了模块中使用的高倍时钟即由外部芯片 倍频得到1 6 3 8 4 m 的时钟无法使f p g a 中的模块正常工作。经过调整，使用了全 局时钟资源，即增加约束条件后f p g a 中的模块正常工作。 首先介绍f p g a 中的全局时钟资源。目前大型设计中一般推荐使用同步时序 电子科技大学硕士学位论文 电路。同步时序电路基于时钟触发沿设计，对时钟的周期、占空比、延时、抖动 提出了更高的要求。为了满足同步时序设计的要求，一般在f p g c p l d 设计中 采用全局时钟资源驱动设计的主时钟，以达到最低的时钟抖动和延迟。在x l i n x f p g c p l d 中的全局时钟资源一般使用全铜层工艺实现，并设计了专用的时钟 缓冲和驱动结构，从而使全局时钟达到芯片内部所有可配置单元( c l b ) 、i o 单 元( i o b ) 和选择性r a m ( b l o c ks e l e c tr a m ) 的时延和抖动都为最小。为了适 应复杂设计的需要，x 1 i n x 的f p g a c p l d 中集成的专用时钟资源与数字延迟锁相 环( d l l ) 的数目不断增力1 1 1 2 ”。 常用的与全局时钟资源相关的x l i n x 器件原语包括i b u f u 、i b u f g d s 、 b u f g 、b u f g p 、b u f g m u x 、b u f g d l l 和d c m 等。 其中，在本课题中，使用的为b u f g ，b u f g 及全局缓冲，它的输入是i b u f g 的输出，b u f g 的输出到达f p g a c p l d 内部i o b 、c l b 、b l o c ks e l e c tr a m 的 时钟延迟和抖动最小。下图4 1 5 是b u f g 的示意图。 b u f g 图4 - 1 5 b u f g 不意图 x l i n x 的全局时钟资源的使用方式为五种。为i b u f g + b u f g 、 i b u f g d s + b u f g 、i b u f g + d c m + b u f g 、l o g i c + b u f g 及l o g i c + d c m + b u f g 。 我们这里使用的是l 0 9 i c + b u f g 。 使用l 0 9 i c + b u f g 的方法。b u f g 不但可以驱动m u f g 的输出，还可以驱动 其他普通信号的输出。当某个信号( 时钟、使能、快速路径) 的扇出非常大，并 且要求抖动延迟最小时，可以使用b u f g 驱动该信号，使该信号利用全局时钟资 源。在此设计中，该信号为1 6 3 8 4 m h z 的时钟信号。但是需要注意的是，普通i o 的输入或普通片内信号进入全局时钟布线层需要一个固有的延时，一般在l o n s 左右，也就是说普通的i o 和普通片内信号从输入到b u f g 输出有一个约1 0 n s 左 右的固有延时，但是b u f g 的输出到片内所有单元( i o b 、c l b 、b l o c k s e l c t r a m ) 的延时可以忽略不计为“0 ”n s ，如下图4 1 6 所示： 第四章曼彻斯特码编解码算法f p g a 的实现 b u f g 图4 1 6l o g i c + b u f g 的使用方法 4 2 7 顶层的设计与仿真 c l o c k d i s t r i b u t i o n 前面已经提到过f p g a 的设计流程，在本设计中，将采用该自顶向下的设计 方法，用h d l 硬件描述语言对各个模块进行r t l 级的描述，来完成f p g a 内部 的电路设计。采用的芯片是x i l i n x 公司的s p a r t a n i i 系列的x c 2 s 3 0 0 型号f p g a ， 仿真平台为i s e 6 3 和m o d e l s i m 6 0 。在x i l i n x 公司i s e 设计工具下，首先我们 对各个模块进行了h d l 的代码设计输入，然后对各个模块编写了测试文件，进 行了功能仿真。然后编写项层的h d l 代码文件，把各个模块加入到顶层，对整 个f p g a 内部电路进行仿真和综合。顶层采用h d l 代码的形式是由于代码输入 有利于自顶向下的设计，利于模块的划分与复用，可移植性好，通用性好。其中 的功能及时序仿真是用编写的含测试数据的文件在m o d e l s i m 6 0 下进行的。下面 将详述顶层的设计过程。 在用h d l 硬件描述语言对各个模块进行r t l 级的描述后，编写v h d 测试文 件，调用m o d e l s i m 6 0 进行功能仿真。然后对顶层模块进行综合优化( s y n t h e s i z e ) ， 综合后将会得到一个报告，详细说明了该设计使用的资源的多少，如占用多少门， 多少寄存器等，以及设计的速度等。综合后，需要用c o n s t r a i n t se d i t o r 设计顶层 模块的u c f 文件，u c f 文件是指约束文件，其中包括对具体应用的时钟要求， 布局布线的位置要求，管脚的分配等等。然后结合该u c f 文件做实现 ( i m p l e m e n t a t i o n ) 。在x i l i n x 的f p g a 应用中，这个过程分为：翻译( t r a n s l a t e ) 、 映射( m a p ) 、布局布线( p l a c e & r o u t e ) 3 个步骤。这个过程后，用v h d 测试文件， 同样调用m o d e l s i m 6 2 进行仿真，这个仿真就是后仿真。后仿真通过后，用i p a c t 工具生成顶层文件的b i t 文件以及加载p r o m 所用的m c s 文件，这2 个文件直接 通过j t a g 接口下载到f p g a 或p r o m 就可以直接运行，我们这里用m c s 文件下 载到p r o m 进行硬件调试。 在本次设计中，顶层文件为t o p v h d ； 电子科技大学硕士学位论文 输入接口有 输出接口有： 编码时的n r z 的数据、n r z 的时钟n r z 的二倍时钟 解码时的曼彻斯特码输入及解码所需的高倍时钟； 编码时的曼彻斯特码输出； 解码时的n r z 数据n r z 时钟及对曼彻斯特码正确情况的判断。 下面给出的是综合后的报告中的一部分。从中可以看出，整个设计总共的资 源消耗有限，可以完成设计要求。 s e l e c t e dd e v i c e ：2 s 3 0 0 e p q 2 0 8 7 n u m b e ro fs l i c e s ：2 4 9o u to f3 0 7 28 n u m b e ro fs l i c ef l i pf l o p s ：2 4 6o u to f6 1 4 44 n u m b e ro f4 i n p u tl u t s ： 3 7 5o u to f6 1 4 46 n u m b e ro fb o n d e d10bs：43o u to f1 4 62 9 n u m b e r o f g c u 妇： 3o u to f 4 7 5 综合后，我们需要对整个设计顶层做约束，以便布局布线能达到最大的优化， 减小延时，增加系统的稳定性。本设计的指标为：解码时码率是1 0 2 4 m h z ，但 是解码时使用了1 6 3 8 4 m h z 的时钟信号，根据以上的时钟要求，我们在u c f 文 件里面对f p g a 内部的时钟做时序约束，声明我们设计中的时钟是多少，以便在 布局布线时x s t 能考虑到；同时对各个输入输出线做分组约束t n m ，实际的这 些输入输出管脚在外部的位置是相近的，因此我们希望在实际的布局布线以后， 这些分组在f p g a 内部输出的位置也是相近的，以减小延时等；然后对各个输入 输出线的管脚分配。 通过以上步骤以后，进行实现( i m p l e m e n t a t i o n ) ，这个过程也会有一个报告， 这个报告是最接近底层硬件的，能反应最后布局布线的实际情况。该报告的一部 分如下，从系统所占资源来看，该设计方案所用资源较少，能达到要求。 d e v i c eu t i l i z a t i o ns u m m a r y ： n u m b e ro fg c l k s n u m b e ro f