曼彻斯特编解码电路设计Word格式文档下载.docx
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2.2
曼彻斯特码原理..................................................
2.3
曼彻斯特码的应用范围...........................................
10
2.3.1
曼彻斯特码在LAN中的应用...................................
12
2.3.2
曼彻斯特码在测井系统中的应用...............................
第三章曼彻斯特编解码方案............................................
14
3.1
编码电路.......................................................
3.2
解码电路.......................................................
20
3.3
同步信号提取电路...............................................
21
3.3.1
利用电压比较器整形曼码.....................................
23
3.3.2
利用微分电路检出曼码跳变沿.................................
24
3.3.3
全波整流电路...............................................
26
3.3.4
窄带滤波电路...............................................
29
3.3.5
锁相环.....................................................
32
第四章
运用VHDL语言对同步方法仿真
...................................35
4.1
VHDL语言简介...................................................
35
4.2
VHDL语言仿真...................................................
第五章PROTEL软件绘制电路图简介......................................
38
5.1
P软件简介..................................................
ROTEL
5.2电路图绘制38
第六章结论与展望41
参考文献42
致谢43
附录44
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：
曼彻斯特码,同步信号,VHDL仿真
ABSTRACT
TheManchestercodeisonekindofdatacommunicationlinearitycodes.Allitsdadabitsareshownbyatleastoncevoltagechanging.ThisiswhyManchestercodeiscalledself-actingtimingcode.Self-actingtimingmeansthefeasibilityoftheprecisesynchronizationofdatastream.Eachbitistransmittedaccuratelyintheperiodthatdefinedinadvance.Manchestercodeshavebeenadoptedbymanytelecomstandardsthathavehighefficiencyandarebeenusedwidely,suchasEthernetcommunicationstandard.Manchestercodeisacodingtechnologyforchannelthatexceedsthetraditionaldatatransmission.Thecharacteristicsthatincludingcryticclockandeliminatingthesignalsinzerofrequencyhavemadeitbeenusedinthedetectingwellofoilwidely.
ThethesismainlydiscussesthetheoryoftheManchestercodeanditscodingrules,italsoexplainsitscharacteristicsanduserange.ThetheoryputsforwardtheManchestercodinganddecodingproposalsandconductsthehardwaresimulatingonthesynchronizedsignalpick-upmodulewiththeVHDLlanguage,italsousestheProtelsoftwaretomakethesystemcircuitdiagram.ThisproposalhassuccessfullymettherequirementofManchestercodedatetransferanditisalsosampleinthecircuitandstableinthecapability.
KEYWORDS：
Manchestercode,VHDL,Synchronismsignal
第一章绪论
1.1项目背景
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2.2p=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2.3p=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1
1到
（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（10Mbps）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（20MHz）的带宽。
这就是作为电平频繁跳变的代价，对于一个10Mbps局
域网,信号频谱值在5和20MHz之间。
2.3.1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缆线的带宽有限，为了
达到100Mbps的数据速率需要更高效率的编码方法，必要使用一个4b/5bMLT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100Mbps信号的数据速率且只需要占仅31MHz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125Mbps，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100MHz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
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
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性能并不好，
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（ComplexProgrammableLogicDevices）具有用户可编程、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
占空比
同步电
编码电
调整电
路
原码输
入
锁相环跟
窄带滤
全波整
微分电
整形电
踪2分
波电路
流电路
频
解码电
出
升级会员 