曼彻斯特编解码电路设计毕业论文(编辑修改稿)

曼彻斯特编解码电路设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

第二章 曼彻斯特码原理及其编码规则 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 局域网 ,信号频谱值在 5 和 20 MHz 之间。 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。 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 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 . 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 125 Mbps，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 MLT3（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。 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。 曼彻斯特码编解码电路设计 第二章 曼彻斯特码原理及其编码规则 目前，在实际的工程测井中，常采用 Manchester编译码器 HD15530把测井数据转换为 Manchester码及把 Manchester码解码为数据 .由于 HD15530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（ Complex Programmable Logic Devices）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 . 曼彻斯特码编解码电路设计 第三章 曼彻斯特编解码方案 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： 图 曼彻斯特编解码电路原理框图 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： 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 曼彻斯特码编解码电路设计 第三章 曼彻斯特编解码方案 图 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。 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 编码输入 曼码 输出 时钟源 占空比调整 编码 同步 曼彻斯特码编解码电路设计 第三章 曼彻斯特编解码方案 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。 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，因此时钟源频率要求达到 200 ， 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。 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 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：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。 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。 曼彻斯特码编解码电路设计 第三章 曼彻斯特编解码方案 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频率有： 48kHz、 500 kHz、 kHz、 1MHz～ 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 fs＜ f＜ fd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。