【正文】 munication 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 widely. 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 pickup module with the 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 曼徹斯特編解碼電路設(shè)計 第一章 緒論 第一章 緒論 項目背景 測井技術(shù)發(fā)展到今 天，已經(jīng)發(fā)生了很大的變化：一是由模擬測井技術(shù)發(fā)展到了數(shù)字測井技術(shù)；二是由數(shù)字測井技術(shù)發(fā)展到了數(shù)控測井技術(shù)。曼徹斯特編碼是將時鐘和數(shù)據(jù)包含在數(shù)據(jù)流中，在傳輸代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起傳輸?shù)綄Ψ?，每位編碼中有一跳變，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。 本課題設(shè)計了一種利用曼徹斯 特編碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。 在本次設(shè)計中，為了驗證 電路系統(tǒng) 能否順利完成曼徹斯特碼的編 解 碼功能，我們采取了比軟件仿真更加直觀，與最終產(chǎn)品更加貼近的硬件驗證方式。 第 四 章詳細(xì)說明了 利用 VHDL語曼徹斯特編解碼電路設(shè)計 第一章 緒論 言對系統(tǒng)的同步信號提取模塊進(jìn)行仿真的過程。自定時意味著數(shù)據(jù)流的精確同步是可 行的。Manchester碼是一種用跳變沿（而非電平）來表示要傳輸?shù)亩M(jìn)制信息（ 0或 1），一般規(guī)定在位元中間用下跳變表示“ 1”，用 上跳變表示“ 0” . 曼徹斯特編碼被被認(rèn)為是一種自定時碼自定時意味著數(shù)據(jù)流的精確同步是可行的。 曼徹斯特碼具有豐富的位定時信息。 p= ： 圖 p= 圖 P=，圖 P=中的線譜圖。雖然曼徹斯特編碼是一種高度可靠的通信方式 ,帶寬要求被視為其不利之處，在達(dá)到的同樣的目標(biāo)的情況下，其更好的編碼表現(xiàn)和更小帶寬要求使得最現(xiàn)代化的通訊協(xié)議隨著更現(xiàn)化的線性編碼不斷發(fā)展。 曼徹斯特碼編解碼電路設(shè)計 第二章 曼徹斯特碼原理及其編碼規(guī)則 在 1949 年第一次提出了的曼徹斯特編碼方 案，是一個被應(yīng)用在物理層的同步時鐘編碼技術(shù)用來將時鐘和數(shù)據(jù)編碼統(tǒng)一在一個同步比特數(shù)據(jù)流中。注意信號跳變不一定在‘ bitboundaries’比特邊界（一個比特和另外一個比特 )之間的分界線，但是總是發(fā)生 在每個比特的中間位置 .曼徹斯特編碼的規(guī)則列出如下： 初始數(shù)據(jù) 發(fā)送的值 邏輯 0 0 到 1 (比特中心向上跳變 ) 邏輯 1 1 到 0 (比特中心向下跳變 圖 曼徹斯特編碼的規(guī)則 注意 :在有些情形下你將看到編碼方案相反的情況。 下面的簡圖展示了一個典型的被寄送數(shù)據(jù) (1,1,0,1,0,0)編碼后的相應(yīng)的曼徹斯特編碼信號的發(fā)送 圖 (1,1,0,1,0,0)編碼后的相應(yīng)的曼徹 斯特編碼信號 方波波形表曼徹斯特碼比特流承載一個比特序列 110100. 曼徹斯特編碼可以選擇性的看成為一種相位編碼 ,每一個比特被編碼成正向 90度的階段相位轉(zhuǎn)變或者負(fù) 90度的相位轉(zhuǎn)變 .曼徹斯特碼依次可以看作是一種相位碼。相位曼徹斯特編碼能消耗大約兩倍的原來 信號 (20 MHz)的帶寬。曼徹斯特編碼最大的優(yōu)點是 :數(shù)據(jù)和同步時鐘統(tǒng)一編碼，曼碼中含有豐富的時鐘信號，直流分量基本為零，接收器能夠較容易恢復(fù)同步時鐘，并同步解調(diào)出數(shù)據(jù)，具有很好的抗干擾性能，這使它更適合于信道傳輸。它使用 (代替曼徹斯特編碼使用的兩個電平值 )三個信號電平值，因此可以實現(xiàn) 100 Mbps 信號的數(shù)據(jù)速率且只需要占僅 31 MHz 的帶寬 . 規(guī)范采用三電平符號傳輸系統(tǒng)取代 10BaseT 的二電平曼徹斯特編碼，能實現(xiàn)快速以太網(wǎng)的兼容性。衰減損耗和 EMC 問題使這種方法無法使用，所以 100BaseTX 使用了 MLT3（多電平轉(zhuǎn)換三 電平）載波。 曼徹斯特碼編解碼電路設(shè)計 第二章 曼徹斯特碼原理及其編碼規(guī)則 目前，在實際的工程測井中，常采用 Manchester編譯碼器 HD15530把測井?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 Manchester碼及把 Manchester碼解碼為數(shù)據(jù) .由于 HD15530發(fā)送數(shù)據(jù)輸入及接受數(shù)據(jù)輸出均為串行方式，并且 Manchester編碼、解碼是以 16位數(shù)據(jù)為基本單位，邏輯上要求使用 16位的并入串出移位寄存器和 16位的串入并出移位寄 存器與單片機(jī)接口，這樣硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，儀器成本較高 .考慮到測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸速率不高，可用單片機(jī)軟件來實現(xiàn) Manchester編碼和解碼功能 . 在油田測井中，井下儀在井下采集大量信息，并傳送給地面測井系統(tǒng)；但井下儀到地面段信道的傳輸 性能 并不好，常用的 NRZ碼不適合在這樣的信道里傳輸，而且 NRZ碼含有豐富的直流分量，容易引起滾筒的磁化，因而選用了另外一種編碼 —— 曼徹斯 特碼。 但曼徹斯特碼的時序比較復(fù)雜，實現(xiàn)編解碼器和單片機(jī)的接口需要添加大量的邏輯電路，給電路設(shè)計和調(diào)試帶來很多困難。而且 CPLD的可編程性，使修改和產(chǎn)品升級變得十分方便。同步時鐘信號提取電路模塊負(fù)責(zé)從接收到的曼徹斯特碼中提取其中包含的同步時鐘信號，將其提供給解碼電路模塊進(jìn)行解碼。 結(jié)構(gòu)圖如下所示： 時鐘源 整形電路 微分電路 窄帶濾波電路 原碼輸入 全波整流電路 占空比 調(diào)整電路 同步電路 編碼電路 鎖相環(huán)跟蹤 2分頻 整形電路 解碼電路 原碼輸出 曼徹斯特碼編解碼電路設(shè)計 第三章 曼徹斯特編解碼方案 圖 編碼電路模塊原理圖 對比 曼徹斯特編碼與原碼波形，可以看出在理想狀況下，曼徹斯特碼在時鐘的前半周期和 原碼相同，后半周期和原碼相反。如果按照上面的思路編碼，就會在編碼時出現(xiàn)錯誤情況。當(dāng)時鐘的頻率和信號發(fā)送的波特率相等時，就只會在原碼中較寬 (比時鐘周期寬 )的碼元處產(chǎn)生一個誤碼，而較窄 (比時鐘周期窄 )的碼元處不會產(chǎn)生誤碼。而譯碼電路僅需要一個 D觸發(fā)器就可以實現(xiàn)。 編碼電路主要由時鐘電路模塊、占空比調(diào)整電路、編碼電路部分組成。由于電容 C 的充放電時間常數(shù)不相等。所以此處選用了穩(wěn)定度高得多的晶體震蕩定時電路，精確度可達(dá) 4五至 9個數(shù)量級，完全符合電路的要求。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封 裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。在一般情況下，晶片機(jī)械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與 LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用 fd 表示。 根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫出它的電抗 — 頻率特性曲線如圖 2e所示。 石 英晶體正弦波振蕩電路的形式是多種多樣的，但基本電路只有兩類，即并聯(lián)型和串聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路，前者石英晶體工作在接近于并聯(lián)諧振狀態(tài)，而后者則工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)。頻率穩(wěn)定度有時附 加時間條件， 如一小時或一日內(nèi)的頻率相對變化量。它的頻率穩(wěn)定度可高達(dá) 109甚至 1011。 曼徹斯特碼編解碼電路設(shè)計 第三章 曼徹斯特編解碼方案 圖 石英晶體產(chǎn)品外形 石英晶片所以能做振蕩電路是基于它的壓電效應(yīng)，可以用 上圖 所示的等效電路來模擬。 等效電路中元件的典型參數(shù)為： Co很?。簬?pF～幾十 pF， L：幾十 mH～幾百 mH， C： pF ～ 。 CS的選擇應(yīng)比 C 大。 綜合以上因素 本次設(shè)計 時鐘源選用 并聯(lián)型 石英晶體正弦波振蕩電路 如圖 所示 電路完全可以滿足系統(tǒng)在頻率穩(wěn)定度以及精確度等各項要求 。如下圖所示： 圖 編碼電路 以上則構(gòu)成了曼徹斯特編碼電路模塊 。 同步信號提取電路 數(shù)字通信在近幾十年來得到了迅速的發(fā)展，其原因是數(shù)字通信系統(tǒng)具有許多模擬通信系統(tǒng)不能達(dá)到或不容易達(dá)到的優(yōu)越性。 3. 易于實現(xiàn)集成化、小型化 。 數(shù)字通信系統(tǒng)雖然優(yōu)點眾多，但是仍然有其固有的缺點，主要體現(xiàn)在同步和誤碼上面。否則將出現(xiàn)混亂。在數(shù)字通信中，按照同步的功用分為 :載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。 位同步是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程 ，是正確取樣判決的基礎(chǔ)，只有數(shù)字通信才需要，并且不論是基帶傳輸還是頻帶傳輸都需要位同步 。為了獲得位同步信號，就應(yīng)在基曼徹斯特碼編解碼電路設(shè)計 第三章 曼徹斯特編解碼方案 帶信號中插入位同步導(dǎo)頻信號，或者對該基帶信號進(jìn)行某種變換。在外同步法中，接收端的同步信號事先由發(fā)送端送來，而不是自己產(chǎn)生也不是從信號中提取出來。曼徹斯特碼是一種典型使用自同步法保持位同步 的線路碼型。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。表示輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系的特性曲線，稱為傳輸特性。信號從運放的反相輸入端輸入，參考電壓為零 ,從同相端輸入。 (a) 過零比較器 (b) 電壓傳輸特性 圖 過零比較器 利用 微分電路 檢出 曼碼跳變沿 微分電路可把矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波 ,此電路的輸出波形只反映輸入波形的突變部分 ,即只有輸入波形發(fā)生突 變的瞬間才有輸出。因此，利用微分電路可以檢出曼徹斯特碼跳變沿，從而方便下一步從 中提取時鐘信號。 圖 微分電路波形圖 圖 示波器波形 當(dāng)?shù)谝粋€方波電壓加在微分電路的兩端（輸入端）時，電容 C 上的電壓開始因充電而增加。 全波整流電路 全波整流電路，可以看作是由兩個半波整流電路組合成的。 如此反復(fù)，由于兩個整流元件 D1 、 D2 輪流導(dǎo)電，結(jié)果負(fù)載電阻 Rfz 上在正、負(fù)兩個半周作用期間，都有同一方向的電流通過，因此稱為全波整流，全波整流不僅利用了正半周，而且還巧妙地利用了負(fù)半周，從而大大地提高了整流效率（ Usc ＝ ，比半波整 流時大一倍） 全波整流電路的輸出電壓為 : 2 2 201 2 22 s in 0 . 9OLV V V td t V V? ????? ? ? ?? （ ） 流過負(fù)載的平均電流為 22 0 .922DL LLVI I VRR?? ? ? （ ） 二極管所承受的最大反向電壓 max 222RVV? 單相全波整流電路的脈動系數(shù) S 與單相橋式整流電路相同。 單相橋式整流電路 曼徹斯特碼編解碼電路設(shè)計 第三章 曼徹斯特編解碼方案 （ a） (b) 圖 單相橋式整流電路 單相橋式整流電單相