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1、班 级 2-0712 学 号 02071191 本科毕业设计论文 题 目 曼彻斯特编码和解码的 FPGA电路设计 学 院 电子工程学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 吴一龙 导师姓名 孙万蓉 . . .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个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
2、率信号的特性使得它在数据传输等领域中得到广泛的应用。论文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语言对电路进行了仿真。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，差分曼彻斯特码，FPGAAbstractThe Manchester code is one kind of data communication linearity codes. All its dada bits are shown by at least once voltage changing. Mancheste
3、r code 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 b
4、een 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 o
5、il 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 pick-up module with
6、the VHDL language. 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. Keyword: Manchester Code Differential Manchester Code FPGA目录摘要1Abstract2第一章 绪论11.1 项目背景11.2 项目研究内容和任务11.3 论文各部分主要内容1第二章 曼彻斯特码与差分曼彻
7、斯特码的原理及其编码规则32.1 曼彻斯特码简介32.2 曼彻斯特码的原理及编码规则32.3 差分曼彻斯特码的原理及编码规则42.4 曼彻斯特码的应用范围52.4.1曼彻斯特码在局域网中的应用52.4.2曼彻斯特码在测井系统中的应用6第三章 曼彻斯特编解码及差分曼彻斯特编解码的方案设计93.1 曼彻斯特编码方案设计93.1.1 曼彻斯特编码电路设计93.1.2 曼彻斯特解码电路设计103.2 差分曼彻斯特编解码方案设计113.2.1 差分曼彻斯特编码电路设计123.2.2 差分曼彻斯特解码电路设计133.3 曼彻斯特编解码分频电路设计13第四章 Quartus-软件仿真154.1 Quartu
8、s-软件简介154.2 VHDL语言简介164.3 曼彻斯特编解码仿真164.3.1 程序编译174.3.2 原理图绘制174.3.3 建立波形文件184.3.4 波形仿真194.3.5 硬件仿真194.4 差分曼彻斯特编解码仿真214.4.1 程序编译214.4.2 原理图绘制224.4.3 建立波形文件234.4.4 波形仿真234.4.5 硬件仿真24第五章 曼彻斯特码与差分曼彻斯特码优缺点275.1 普通二进制数据编码的优缺点275.2 曼彻斯特码的优缺点275.3 差分曼彻斯特码的优缺点285.4 其他常见通信编码295.4.1 AMI码295.4.2 密勒码295.4.3 CMI码
9、30第六章 结论与展望316.1 论文总结316.2 进一步的工作32致谢33参考文献35附录A37附录B45第一章 绪论1.1 项目背景曼彻斯特编码是一种自同步的编码方式，也就是说其时钟同步信号就隐藏在数据波形中。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作为时钟信号，又作为数据信号：从高电平到低电平的跳变表示“0”，从低电平到高电平的跳变表示“1”。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅仅提供时钟定时，而用每位开始时有跳变为“0”，无跳变为“1”。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，因而曼彻斯特码被广泛应用于数据传输、局域网以及测井技术等
10、领域。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编解码器及差分曼彻斯特编解码器的设计及实现。1.2 项目研究内容和任务本项目主要研究的内容是曼彻斯特编解码器及差分曼彻斯特编解码器的设计和实现。为了能够顺利地完成编解码任务，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，我们采用Quarters 软件对所编VHDL程序进行仿真，然后再由FPGA芯片完成硬件的仿真。1.3 论文各部分主要内容 本篇论文的第一章是绪论，初步介绍了实验的背景及目标，第二章介绍了曼彻
11、斯特码的原理、规则及应用，第三章对曼彻斯特编解码电路进行了设计，第四章对差分曼彻斯特编解码电路进行了设计，第五章详细说明了使用Quarters 软件和FPGA硬件进行仿真的过程，第六章是对曼彻斯特码和差分曼彻斯特码的优缺点进行分析，并与几种常见的通信编码进行比较，第七章是对本次设计的小结和展望。第二章 曼彻斯特码与差分曼彻斯特码的原理及其编码规则2.1 曼彻斯特码简介曼彻斯特编码，也叫做相位编码(PE)，是一个同步时钟编码技术，在以太网媒介系统中，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。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
12、着数据流的精确同步是可行的。每一个比特都准确的在一个预先定义时间时期的时间中被传送。这样的编码方式可以在长时间没有电平跳变的情况下，仍然对任意的二进制数据进行编码，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。同时，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，那么就很容易实现信号的恢复和防止能量的浪费。另外，曼彻斯特码还具有丰富的位定时信息。2.2 曼彻斯特码的原理及编码规则曼彻斯特码是通过电平的跳变来对二进制数据“0”和“1”进行编码的，对于何种电平跳变对应何种数据，实际上有两种不同的数据约定：第一种约定是由G. E.
13、Thomas，Andrew S. Tanenbaum等人在1949年提出的，它规定“0”是由低到高的电平跳变表示，“1”是由高到低的电平跳变；第二种约定则是在IEEE 802.4(令牌总线)以及IEEE 802.3 (以太网)中规定，按照这样的说法，由低到高的电平跳变表示“1”，由高到低的电平跳变表示“0”。在实际工程上，这两种约定在一定范围内均有应用。为了便于描述，若无特殊说明，本篇论文中的曼彻斯特码的编码规则均采用第二种约定，即从低电平跳变到高电平表示“1”，从高电平跳变到低电平表示“0”。普通数字信号与曼彻斯特编码对比如图2.1所示。图2.1 数字信号与曼彻斯特编码波形2.3 差分曼彻斯
14、特码的原理及编码规则差分曼彻斯特码是对曼彻斯特码的一种改进，这种编码方式保留了曼彻斯特编码自含时钟编码的优点，仍将每比特中间的跳变作为同步之用，但与曼彻斯特编码不同的是，每比特的取值根据其开始处是否出现电平的跳变来决定。差分曼彻斯特编码的每一位中间都会发生一次跳变，每位开始时发生跳变表示“0”，不发生跳变则表示“1”。差分曼彻斯特码与普通曼彻斯特码的波形比较见图2.2。图2.2曼彻斯特码与差分曼彻斯特码2.4 曼彻斯特码的应用范围曼彻斯特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，这使得它在石油勘探测井中也得到广泛的应用。2.4.1曼彻斯特码在局域网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要的编码方式。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
