【工学】曼彻斯特编解码电路设计共（49页）

1、中南大学中南大学 本科生毕业论文（设计）本科生毕业论文（设计） 题 目 曼彻斯特编解码电路设计 学生姓名 李天栋 指导教师 肖大光 娄田心 学 院 信息科学与工程学院 专业班级 通信工程 03 级 2 班 完成时间 2007 年 5 月 目录 目录 .i 摘要 .iii abstract .iv 第一章 绪论 .1 1.1 项目背景 .1 1.2 项目研究内容和任务 .1 1.3 论文各部分主要内容 .1 第二章 曼彻斯特码的原理及其编码规则 .3 2.1 曼彻斯特码简介及其编码规则 .3 2.2 曼彻斯特码原理 .3 2.3 曼彻斯特码的应用范围 .5 2.3.1 曼彻斯特码在 lan 中的

2、应用 .7 2.3.2 曼彻斯特码在测井系统中的应用 .7 第三章 曼彻斯特编解码方案 .9 3.1 编码电路 .9 3.2 解码电路 .15 3.3 同步信号提取电路 .16 3.3.1 利用电压比较器整形曼码 .18 3.3.2 利用微分电路检出曼码跳变沿 .19 3.3.3 全波整流电路 .21 3.3.4 窄带滤波电路 .24 3.3.5 锁相环 .27 第四章 运用 vhdl 语言对同步方法仿真 .30 4.1 vhdl 语言简介.30 4.2 vhdl 语言仿真.30 第五章 protel 软件绘制电路图简介.33 5.1 protel软件简介 .33 5.2 电路图绘制 .33

3、第六章 结论与展望 .36 参考文献 .37 致谢 .38 附录 .39 摘要 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，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得到广泛 的应用。 报告论述了曼彻斯特码的原理，介绍了其编码规则。对其特点和应用范围进

4、行 了说明。提出了曼彻斯特编解码方案，重点运用vhdl语言对同步信号提取电路进行 了硬件仿真。以及对使用protel软件绘制电路图进行了介绍。系统成功实现了曼彻 斯特码数据传送的要求而且电路简单，性能稳定。 关键词：关键词： 曼彻斯特码,同步信号,vhdl 仿真 abstract the manchester code is one kind of data communication linearity codes. all its dada bits are shown by at least once voltage changing. this is why manchester co

5、de is called self-acting timing code. self-acting timing means the feasibility of the precise synchronization of data stream. each bit is transmitted accurately in the period that defined in advance. manchester codes have been adopted by many telecom standards that have high efficiency and are been

6、used widely, such as ethernet communication standard. manchester code is a coding technology for channel that exceeds the traditional data transmission. the characteristics that including crytic clock and eliminating the signals in zero frequency have made it been used in the detecting well of oil w

7、idely. the thesis mainly discusses the theory of the manchester code and its coding rules, it also explains its characteristics and use range. the theory puts forward the manchester coding and decoding proposals and conducts the hardware simulating on the synchronized signal pick-up module with the

8、vhdl language , it also uses the protel software to make the system circuit diagram. this proposal has successfully met the requirement of manchester code date transfer and it is also sample in the circuit and stable in the capability. key words： manchester code,vhdl,synchronism signal 第一章 绪论 1.1 项目

9、背景 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 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.在测井数据传输系统中，由 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（manchester）码是测井数据传输中常用的编码方式之一。曼彻斯特码， 又称数字双相码或分相码。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中

10、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。曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也 将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具 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1/2。曼彻斯特码是主要用在数据同步传输的一种编码方式。 由于曼彻斯特码有如此多的优点，所以在现代通信中得到了广泛的应用。本课题设 计了一种利用曼彻斯特编码实现数据传输的通信系统。本文的主要工作就是研究曼 彻斯特码编码器的设计及实现。 1.2 项目研究内容和任务 本项目主要研究曼彻斯

11、特码编码器的硬件设计和实现。为了能顺利完成曼彻斯 特码的编解码任务，实现数据传输它应该包括这样几个部分:编码电路，解码电路， 以及同步信号提取电路。 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，我 们采取了比软件仿真更加直观，与最终产品更加贴近的硬件验证方式。在该方式中 需要使用vhdl语言对系统进行仿真。 1.3 论文各部分主要内容 第二章详细说明了曼彻斯特码编码的特点，规则以及应用。第三章介绍了曼彻 斯特编解码系统的总体结构和功能概述、硬件组成。第四章详细说明了利用vhdl语 言对系统的同步信号提取模块进行仿真的过程。第五章介绍了利用protel的电路图 绘制。第六章

12、是对本次设计的小结和展望。 第二章 曼彻斯特码的原理及其编码规则 2.1 曼彻斯特码简介及其编码规则 在电信领域，曼彻斯特码,(也称作相位码或者 pe）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被因此被 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。 但是,今天有许许多多的复杂的编码方法(例如 8b/10b 编码）,在达到同等目的 情况下只需要更少带宽负荷并且只有更少的同步信号相位模糊. 二进制码与曼彻斯特码波形的对比关系如下。 图 2.1 二进制码与曼彻斯特码波形 2.2 曼彻

13、斯特码原理 用于数字基带传输的码型种类较多，manchester码是其中常用的一种。 manchester码是一种用跳变沿（而非电平）来表示要传输的二进制信息（0或1）， 一般规定在位元中间用下跳变表示“1”，用上跳变表示“0”. 曼彻斯特编码被被 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

14、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。 以下是在不同p值情况下的功率谱仿真图。 图2.2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。 p=0.5时曼彻斯特码功率谱： 图2.2 p=0.5时曼彻斯特码功率谱 图2.3为p=0.4时的曼彻斯特码的功率谱图，图2.4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. 图 2.3

15、p=0.4 时曼彻斯特码功率谱 如果一曼彻斯特编码信号,沿着通讯信道某处进行跳变,它从一个变化状态到另 一个变化状态.但是,这样情况能被差分曼彻斯特编码轻易克服。 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。 曼彻斯特码所要考虑的一件事就是发射机与接收机的同步问题，初看起来它可 能是半比特周期的错误将导致接收机终端得到相反的输出，但是进

16、一步考虑表明了 典型数据在这个情况下将导致违例码。使用硬件能探测到这些违例码，运用这些信 息实现精确的同步正确的解释这些有关数据。 2.3 曼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。 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

17、表示的(这项技 术也是一种不归零码 nrz）。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(i.e. nrz)来有许多的优势。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bitboundaries比特边界（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.曼彻斯特编码的规则列出如下： 初始数据发送的值 逻辑 0 0 到 1 (比特中心向上跳变) 逻辑 11到0 (比特中心向下跳变 图 2.4 曼彻斯特编码的规则 注意:在有些情形下你将看到编码方案相反的情

18、况。把逻辑 0 表示为 0 到 1 的 跳变.两种定义已经并存很多年. 以太网蓝皮书和美国电气及电子工程师学会标准 ieee (10 mbps)描绘了逻辑 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）.因为很多物理层采用一种翻转线性驱 动器把二进制数据转换成电信号,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 10bt）不能容忍这种反转。 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 2.5 (1,1,0,1,0,0)编码后的相应的曼彻斯特编码信号 方

19、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.曼彻斯特码依次可以看作是一种相位码。 曼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 mhz)的带宽。这就是作为电平频繁跳变的代价，对于一个 10 mbps 局

20、 域网,信号频谱值在 5 和 20 mhz 之间。 2.3.12.3.1 曼彻斯特码在lan中的应用 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。ieee802.4 令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。cat5e 缆线的带

21、宽有限，为 了达到 100 mbps 的数据速率需要更高效率的编码方法，必要使用一个 4b/5b mlt 编码方案。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 mbps 信号的数据速率且只需要占仅 31 mhz 的带宽. ieee-802.3u 规范 采用三电平符号传输系统取代 10baset 的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 fddi（光纤分布式接口）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 m

22、bps，可补偿 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 emc 问题使这种方法无法使用，所以 100basetx 使用了 mlt- 3（多电平转换三电平）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 mhz 的带宽以内提供 1gbps 的数据速率。 2.3.2 曼彻斯特码在测井系统中的应用 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 井技术获得了较大的发展，测井系统中

23、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.在测井数据传输系统中，由 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（manchester）码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manchester编译码器hd-15530把测井数据 转换为manchester码及把manchester码解码为数据.由于hd-15530发送数据输入及 接受数据输出均为串行方式，并且manchester编码、解码是以16位数据为

24、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.考虑到测井数据传输速率不高，可 用单片机软件来实现manchester编码和解码功能. 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并不好，常 用的nrz码不适合在这样的信道里传输，而且nrz码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nrz码相比，曼彻斯特码具有很多优点。 例如，消除了nrz码的直流成分，具有时钟恢复和更好的

25、抗干扰性能，这使它更适 合于信道传输。 但曼彻斯特码的时序比较复杂，实现编解码器和单片机的接口需要添加大量的 逻辑电路，给电路设计和调试带来很多困难。使用cpld可大大简化这一过程。 cpld（complex programmable logic devices）具有用户可、时序可预测、速度高 和容易使用等优点，这几年得到了飞速发展和广泛应用。上至高性能cpu,下至简单 的74电路，都可以用cpld来实现。而且cpld的可编程性，使修改和产品升级变得十 分方便。用户可以根据原理图或硬件描述语言自由地设计一个数字系统，然后通过 软件仿真，事先验证设计的正确性。pcb完成以后，还可以利用pld的在

26、线修改能力， 随时修改设计而不必改动硬件电路，从而大大缩短了设计和调试时间，减少了pcb 面积，提高了系统的可靠性. 第三章 曼彻斯特编解码方案 曼彻斯特编解码电路由三个部分组成，分别是编码电路模块，解码电路模块， 和同步信号提取电路模块。编码电路模块提供时钟源，并且对输入的待传送原码进 行编码，将其转换成曼彻斯特码并发送。同步时钟信号提取电路模块负责从接收到 的曼彻斯特码中提取其中包含的同步时钟信号，将其提供给解码电路模块进行解码。 解码电路模块用则是将接收到的曼彻斯特码整形后利用同步时钟提取电路模块提供 的同步信号把它转换成原码输出。三个相对独立的模块相互协同工作共同完成曼彻 斯特编解码工

27、作，同时相互独立的模块结构有利于查找电路中存在的问题，便于维 护。 系统整体原理框图如下： 时钟源 整形电 路 微分电 路 窄带滤 波电路 原码输 入 全波整 流电路 占空比 调整电 路 同步电 路 编码电 路 锁相环跟 踪 2 分 频 整形电 路 解码电 路 原码输 出 图 3.1 曼彻斯特编解码电路原理框图 3.1 编码电路 编码电路的实现,编码电路模块具体分为以下几个部分：时钟源，占空比调整 电路，同步电路，编码电路。 结构图如下所示： 编码输入 曼码 输出 时钟源占空比调 整 编码同步 图 3.2 编码电路模块原理图 对比曼彻斯特编码与原码波形，可以看出在理想状况下，曼彻斯特码在时钟的

28、 前半周期和原码相同，后半周期和原码相反。因此要用一个数据选择器，在时钟信 号为高电平时，选择原码作为曼彻斯特编码的信号，而时钟信号为低电平时，选择 原码的反码作为曼彻斯特编码信号即可。但是上面的思路还有一定的问题。其一， 时钟信号与原码的信号起始位置不同。如果按照上面的思路编码，就会在编码时出 现错误情况。例如：1”的宽度与一般的宽度不同，导致之后的编码全部出错，显 然编码是错误的。在通信系统中，时钟和信号往往是由电路的不同部分产生的，起 始时刻不同也是很正常的。在对信号进行编码前，用一个 d 触发器对信号进行整形， 可以使信号和时钟同步，而且能调整信号的脉宽，使信号的宽度为时钟周期的整数

29、倍。当时钟的频率和信号发送的波特率相等时，就只会在原码中较宽(比时钟周期 宽)的码元处产生一个误码，而较窄(比时钟周期窄)的码元处不会产生误码。很 明显，原码就是在时钟的前半周期(高电平的时候)保持曼彻斯特的码不变，而时钟 后半周期，维持前半周期的电平不变，就恢复出原码了 12,31。这个过程只要时钟 相位调整得当，同样可以用一个 d 触发器实现。综上所述，编码电路仅需要一个 d 触发器，一个数据选择器;而译码电路仅需要一个 d 触发器就可以实现。另外只需 要构建一个占空比为 1/2，且频率大于两倍于信号速率的时钟。硬件电路比较简单， 使用的元器件也比较简单，成本较低。而且可以方便地测试编码。

30、 编码电路主要由时钟电路模块、占空比调整电路、编码电路部分组成。时钟信 号 产生很多时候多是采用集成电路定时器 555 产生，作定时器时，定时时间长。 555 的静态电流较小，一般为 80 la 左右。改变 r,r2,c 的值可得到任意频率的时 钟脉冲。由于电容 c 的充放电时间常数不相等。因此电路的输出波形为矩形脉冲， 脉冲的占空比随频率的变化而变化。 然而，555定时器作为时钟源时，它的时钟稳定性不够高，一般只有三个数量级， 而此处设计的曼彻斯特编解码电路设计速率为100kbps，误码率要求0.001以下。要 求时钟频率为100 000hz ,并且因为占空比调整电路实际上是一个二分频电路，

31、因 此时钟源频率要求达到200 000hz.显然，555定时器不能满足要求。所以此处选用 了稳定度高得多的晶体震荡定时电路，精确度可达4五至9个数量级，完全符合电路 的要求。具体实际应用中采用了比较常用性价比高的石英晶体正弦波振荡电路。 3.1.1 石英晶体振荡器 石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、 遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生 时钟信号和为特定系统提供基准信号。 一、石英晶体振荡器的基本原理 1、石英晶体振荡器的结构 石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种 谐振器件，它的基本构成大致是

32、：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称 为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电 极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体 谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃 壳、陶瓷或塑料封装的。 2、压电效应 若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶 片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压 电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机 械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅 非

33、常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率 下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与 lc 回路的谐振现象十分相似。它 的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。 3 谐振频率 从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即（1）当 l、c、r 支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于 r）。串联揩振频率用 fs 表示，石 英晶体对于串联揩振频率 fs 呈纯阻性，（2）当频率高于 fs 时 l、c、r 支路呈感 性，可与电容 c。发生并联谐振，其并联频率用 fd 表示。 二、石英晶体振荡器的主要参数 标称频率大都标明在晶振外壳上。如常用普通晶振标称

34、频率有：48khz、500 khz、503.5 khz、1mhz40.50 mhz等，对于特殊要示，石英晶体对于串联揩振频 率fs呈纯阻性，（2）当频率高于fs时l、c、r支路呈感性，可与电容c。发生并联 谐振，其并联频率用fd表示。 根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗频率特性曲线如图2e所示。 可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。 仅在fsffd极窄的范围内，石英晶体呈感性。 石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、 遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生 时钟信号和为特定系统提供

35、基准信号。石英晶体正弦波振荡电路的形式是多种多样 的，但基本电路只有两类，即并联型和串联型石英晶体正弦波振荡电路，前者石英 晶体工作在接近于并联谐振状态，而后者则工作在串联谐振状态。 在工程应用中，例如在实验用的低频及高频信号产生电路中，往往要求正弦波 振荡电路的振荡频率有一定的稳定度，有时要求振荡频率十分稳定，如通讯系统中 的射频振荡电路、数字系统的时钟产生电路等。因此，有必要引用频率稳定度来作 为衡量振荡电路的质量指标之一。频率稳定度一般用频率的相对变化量f/f0来表 示，f0为振荡频率，f 为频率偏移。频率稳定度有时附加时间条件， 如一小时或 一日内的频率相对变化量。 影响 lc 振荡电

36、路振荡频率无的因素主要是 lc 并联谐振回路的 q 值，可以证 明，q 值愈大，频率稳定度愈高。由电路理论知道：为了提高 q 值，应尽量减小回 路的损耗电阻 r 并加大 l/c 值。 但一般的 lc 振荡电路，其 q 值只可达数百， 在 要求频率稳定度高的场合，往往采用石英晶体振荡电路。它的频率稳定度可高达 10-9甚至 10-11。 石英晶体振荡电路之所以具有极高的频率稳定度，主要是由于采用了具有极高 q 值的石英晶体元件。石英晶体是一种各向异性的结晶体，它是硅石的一种，其化 学成分是二氧化硅 。 从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片称为晶片（可以是 正方形、矩形或圆形等)， 然后在晶片的两

37、个对应表面上涂敷银层并装上一对金属 板，就构成石英晶体产品，一般用金属外壳密封，也有用玻璃壳封装的。 图 3.3 石英晶体产品外形 石英晶片所以能做振荡电路是基于它的压电效应，可以用上图所示的等效电路 来模拟。等效电路中的 c。 为切片与金属板构成的静电电容，l 和 c 分别模拟晶体 的质量(代表惯性)和弹性，而晶片振动时,因摩擦而造成的损耗则用电阻 r 来等效。 石英晶体的一个可贵的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值 (等效于 l/c)， 因而它的品质因数 q 高达 10000500000 的范围内。 等效电路中元件的典型参数为： co 很小：几 pf几十 pf，l：几十 mh几百 mh，

38、c：0.0002 pf 0.1pf 。 下图为石英晶体的符号、等效电路和电抗特性。 图 3.4 石英晶体的符号、等效电路和电抗特性 由等效电路可知，石英晶体有两个谐振频率，即 （1）l-c-r 支路串联谐振 （3.1） 1 2 s f lc （2）当 ffs时，l-c-r 支路呈感性，与 co产生并联谐振。 （3.2） 1 2 oo ps oo cccc ff cclc 由于 coc，故 fpfs. 在实际应用中，通常串入一个用于校正振荡频率的小电容 cs，如上图所示。 cs的选择应比 c 大。 因此，利用石英晶体的频率特性可构成两种不同类型的频率高度稳定的正弦波 振荡电路： 当石英晶体发生串

39、联谐振时，它呈纯阻性，相移是 0。若把石英晶体作为放大 电路的反馈网络，并起选频作用，只要放大电路的相移也是 0，则满足相位条件， 形成串联型石英晶体正弦波振荡电路。 当频率在 fs与 fp之间，石英晶体呈感性，可将它与两个 c 构成电容三点式正 弦波振荡电路，形成并联型石英晶体正弦波振荡电路如图 3.5 所示。 综合以上因素本次设计时钟源选用并联型石英晶体正弦波振荡电路如图 3.5 所 示电路完全可以满足系统在频率稳定度以及精确度等各项要求。 乘乘 8 7 2 u?a ua9637a clk 3 d 2 sd 4 cd 1 q 5 q 6 u?a 74ls74 clk 3 d 2 sd 4

40、cd 1 q 5 q 6 u?a 74ls74 i0a 6 i1a 5 12a 4 13a 3 ea 1 za 7 i0b 10 i1b 11 i2b 12 i2c 13 eb 15 zb 9 s0 14 s1 2 74ls153 c2 c1c3 1000pf 20pf 5pf 乘 乘 乘 乘 +5v 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 ic1ic2 ic3 乘 乘 乘 乘 乘 ic4 乘 乘 乘 乘 +5v 图 3.5 并联型石英晶体正弦波振荡电路 3.1.2 占空比调整电路 占空比调整电路采用一个 d 触发器，将其反向输出端接至其输入端 d 管脚，时 钟源输出端接入其 cp 管

41、脚，从而构成一个二分频电路实现占空比调整，将原来由 石英晶体震荡电路产生的占空比随频率变化而变化的时钟信号调整其占空比为 50%。如下图所示： 乘乘 8 7 2 u?a ua9637a clk 3 d 2 sd 4 cd 1 q 5 q 6 u?a 74ls74 clk 3 d 2 sd 4 cd 1 q 5 q 6 u?a 74ls74 i0a 6 i1a 5 12a 4 13a 3 ea 1 za 7 i0b 10 i1b 11 i2b 12 i2c 13 eb 15 zb 9 s0 14 s1 2 74ls153 c2 c1c3 1000pf 20pf 5pf 乘 乘 乘 乘 +5v 乘

42、 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 ic1ic2 ic3 乘 乘 乘 乘 乘 ic4 乘 乘 乘 乘 +5v 图 3.6 占空比调整电路 3.1.3 编码电路 曼彻斯特码在时钟的前半周期和原码相同，后半周期和原码相反。因此要用一 个数据选择器，在时钟信号为高电平时，选择原码作为曼彻斯特编码的信号，而时 钟信号为低电平时，选择原码的反码作为曼彻斯特编码信号即可。如下图所示： 乘乘 8 7 2 u?a ua9637a clk 3 d 2 sd 4 cd 1 q 5 q 6 u?a 74ls74 clk 3 d 2 sd 4 cd 1 q 5 q 6 u?a 74ls74 i0a 6 i1

43、a 5 12a 4 13a 3 ea 1 za 7 i0b 10 i1b 11 i2b 12 i2c 13 eb 15 zb 9 s0 14 s1 2 74ls153 c2 c1c3 1000pf 20pf 5pf 乘 乘 乘 乘 +5v 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 乘 ic1ic2 ic3 乘 乘 乘 乘 乘 ic4 乘 乘 乘 乘 +5v 图 3.7 编码电路 以上则构成了曼彻斯特编码电路模块。 3.2 解码电路 解码电路中，由于同步时钟信号已经有专门的模块电路恢复出来，因此直接利 用，解码电路模块所需要做的只是在时钟信号为高电平（前半时钟周期）时，直接 把此时曼彻斯特码电

44、平值作为曼彻斯特码译码的信号，而时钟信号为低电平（后半 时钟周期）时，保持前半时钟周期的曼彻斯特码电平值即可。因此解码电路中，理 论上只需要一个d触发器即可以实现。解码电路比较简单。 3.3 同步信号提取电路 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. 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

45、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

46、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。 在数字通信中，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。必须获得了同步时钟信号才能实现解 码。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，

47、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

48、 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。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。 同步信号提取电路是整个电路中最关键也是最复杂的部分，它的成功与否直接 影响整个电路的正常工作，任何一点同步信号提取电路的误差都可能导致最终的解 码输出误码。 同步时钟提取电路具体分为以下几个部分： 整形电路 微分电路 全波整流电路 窄带滤波电路 锁相环电路及二分频 结构图如下所示： 曼码输入 同步信号输出

49、整形微分全波整 流 窄带滤 波 锁相环 及分频 频 图 3.8 同步时钟提取电路原理图 微分后波形 全波整流后波形 窄带滤波后波形 图 3.9 同步时钟提取波形图 3.3.1 利用电压比较器整形曼码 接受端所接收到的曼彻斯特码在传输过程中不可避免的会受到外界的干扰从而 产生信号波形的失真，接收到的波形将不再是规则的方波，因此在进行解码之前必 须对接收的信号先进行整形，利用过零比较器可以实现这一要求。 电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参考 电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低 电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与

50、数字信号转换等领域。 下图所示为一最简单的电压比较器，ur为参考电压，加在运放的同相输入端， 输入电压 ui加在反相输入端。 (a)电路图 (b)传输特性 曼彻斯特码 图 3.10 电压比较器 当 uiur时，运放输出高电平，稳压管 dz 反向稳压工作。输出端电位被其箝 位在稳压管的稳定电压 uz，即 uouz 当 uiur时，运放输出低电平，dz正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降 ud，即 uoud 因此，以 ur为界，当输入电压 ui变化时，输出端反映出两种状态，高电位和 低电位。表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线，称为传输特性。 图 3.10 为(a)图比较器的传输特性。 常用

51、的电压比较器有过零比较器、具有滞回特性的过零比较器、双限比较器 （又称窗口比较器）等。 过零比较器 电路如下图所示为加限幅电路的过零比较器，dz为限幅稳压管。信号从运放的 反相输入端输入，参考电压为零,从同相端输入。当 ui0 时，输出 uo-(uz+ud)， 当 ui0 时，uo+(uz+ud)。其电压传输特性如图 3.11（b）所示。 过零比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。 (a) 过零比较器 (b) 电压传输特性 图 3.11 过零比较器 3.3.2 利用微分电路检出曼码跳变沿 微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波,此电路的输出波形只反映输入波形的突 变部分,即只有输入波形发生突变的

52、瞬间才有输出。而对恒定部分则没有输出。输 出的尖脉冲波形的宽度与 r*c 有关（即电路的时间常数）,r*c 越小,尖脉冲波形越 尖,反之则宽。此电路的 r*c 必须远远少于输入波形的宽度,否则就失去了波形变换 的作用,变为一般的 rc 耦合电路了,一般 r*c 少于或等于输入波形宽度的 1/10 就可 以了。因此，利用微分电路可以检出曼彻斯特码跳变沿，从而方便下一步从中提取 时钟信号。 图 3.12 给出了一个标准的微分电路形式。为表达方便，这里我们使输入为频 率为 50hz 的方波，经过微分电路后，输出为变化很陡峭的曲线。图 3.13 是用示波 器显示的输入和输出的波形。 图 3.12 微分

53、电路波形图 图 3.13 示波器波形 当第一个方波电压加在微分电路的两端（输入端）时，电容 c 上的电压开始 因充电而增加。而流过电容 c 的电流则随着充电电压的上升而下降。电流经过微分 电路（r、c）的规律可用下面的公式来表达（参考右 图）： t cr iv r e i-充电电流（a）； v-输入信号电压（v）； r-电路电阻值（欧姆）； 图 3.14 微分电路 c-电路电容值（f）； e-自然对数常数（2.71828）； t-信号电压作用时间（秒）； cr-r、c 常数（r*c） 由此我们可以看出输出部分即电阻上的电压为 i*r，结合上面的计算，我们可 以得出输出电压曲线计算公式为（其曲线

54、见下图）： / t cr irve 图 3.15 输出电压曲线图 3.3.3 全波整流电路 在微分电路之后，由于检测出来的曼彻斯特码跳变沿具有上下两个方向，得到 的尖锋脉冲也同样如此，不能直接滤波提取位同步信号，因此需要一个全波整流电 路将微分电路输出的尖锋脉冲统一为一个极性，然后送入窄带滤波电路即可提取出 位同步信号。全波整流电路有单相全波整流电路和桥式整流电路等几种类型，下面 是对它们各自性能的分析。 全波整流电路全波整流电路 全波整流电路，可以看作是由两个半波整流电路组合成的。变压器次级线圈中间需 要引出一个抽头，把次组线圈分成两个对称的绕组，从而引出大小相等但极性相反 的两个电压 e2

55、a 、e2b ，构成 e2a 、d1、rfz 与 e2b 、d2 、rfz ，两个通电回路。 全波整流电路的工作原理：在 0 间内，e2a 对 dl 为正向电压，d1 导通， 在 rfz 上得到上正下负的电压；e2b 对 d2 为反向电压， d2 不导通。在 -2 时 间内，e2b 对 d2 为正向电压，d2 导通，在 rfz 上得到的仍然是上正下负的电压； e2a 对 d1 为反向电压，d1 不导通。如此反复，由于两个整流元件 d1 、d2 轮流 导电，结果负载电阻 rfz 上在正、负两个半周作用期间，都有同一方向的电流通过， 因此称为全波整流，全波整流不仅利用了正半周，而且还巧妙地利用了负

56、半周，从 而大大地提高了整流效率（usc 0.9e2，比半波整流时大一倍） 全波整流电路的输出电压为: （3.3） 222 0 12 2 2sin0.9 ol vvvtd tvv 流过负载的平均电流为 （3.4） 2 2 0.92 2 dl ll v iiv rr 二极管所承受的最大反向电压 max 2 2 2 r vv 单相全波整流电路的脉动系数 s 与单相桥式整流电路相同。 （3.5） 22 4 22 22 0.67 33 vv s 单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而全波整流电路中有直流 分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样功率容量条件下，体 积可以小一些。单

57、相桥式整流电路的总体性能优于全波整流电路，故广泛应用于直 流电源之中。 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 （a） (b) 图 3.16 单相桥式整流电路 单相桥式整流电单相桥式整流电路如图 3.16（a）所示，图中 tr 为电源变压器， 它的作用是将交流电网电压 vi变成整流电路要求的交流电压 ，rl是要求直流供电 的负载电阻，四只整流二极管 d1d4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。 路的工作原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导 通电阻为零，反向电阻为无穷大。 在 v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管 d1流向 rl，再由二极管 d3流回变

58、压器，所以 d1、d3正向导通，d2、d4反偏截止。在负载上 产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图 3.16（a）中实线箭头表 示。 在 v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能 经过二极管 d2流向 rl，再由二极管 d4流回变压器，所以 d1、d3反偏截止，d2、d4 正向导通。电流流过 rl时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流 通路如图 3.16（a）中虚线箭头所示。 综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分 为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负 载电阻的上端相连，负

59、极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个 单方向的脉动电压。 根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图 3.17。由图可见，通过负载 rl的电流 il以及电压 vl的波形都是单方向的全波脉动波形。 桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电 压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了 充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应 用。电路的缺点是二极管用得较多，但目前市场上已有整流桥堆出售，如 ql51ag、ql62al 等，其中 ql62al 的额定电流为 2a，最大反向电压为 25v1000

60、v。故单相桥式整流电路常画成图 3.16（b）所示的简化形式。 在综合对比了桥式整流电路和全波整流电路的各自性能后，显然桥式整流电路 唯一缺点就是二极管用得较多，但电路效率较高，因此在同步信号提取模块中采用 了桥式整流电路进行全波整流，统一尖锋脉冲的极性，为下一步滤波做好准备。 图 3.17 桥式整流电路的工作波形图 3.3.4 窄带滤波电路 为了从尖锋脉冲中提取同步时钟信号，需要一个带宽非常窄的滤波电路进行滤 波，显然一般的带通滤波器并不能满足要求。 在无线电测量仪器、通讯设备、遥控遥测及其他无线电设备中，常常需要通带 非常窄的带通滤波器，它对于提高这些无线电测量仪器和设备的性能起着极为重要