曼彻斯特编解码威廉希尔官方网站 设计

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 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 been 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 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 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

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 编码威廉希尔官方网站 9
3.2 解码威廉希尔官方网站 15
3.3 同步信号提取威廉希尔官方网站 16
3.3.1 利用电压比较器整形曼码 18
3.3.2 利用微分威廉希尔官方网站 检出曼码跳变沿 19
3.3.3 全波整流威廉希尔官方网站 21
3.3.4 窄带滤波威廉希尔官方网站 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软件绘制威廉希尔官方网站 图简介 33
5.1 PROTEL软件简介 33
5.2 威廉希尔官方网站 图绘制 33
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威廉希尔官方网站 进行了硬件仿真。以及对使用Protel软件绘制威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 简单，性能稳定。

关键词： 曼彻斯特码,同步信号,VHDL仿真

ABSTRACT
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:编码威廉希尔官方网站 ，解码威廉希尔官方网站 ，以及同步信号提取威廉希尔官方网站 。
在本次设计中，为了验证威廉希尔官方网站 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的威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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2.2 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 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　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局域网,信号频谱值在5和20 MHz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威廉希尔官方网站 ，给威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ，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威廉希尔官方网站 ，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

曼彻斯特编解码威廉希尔官方网站 由三个部分组成，分别是编码威廉希尔官方网站 模块，解码威廉希尔官方网站 模块，和同步信号提取威廉希尔官方网站 模块。编码威廉希尔官方网站 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。同步时钟信号提取威廉希尔官方网站 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，将其提供给解码威廉希尔官方网站 模块进行解码。解码威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 中存在的问题，便于维护。
系统整体原理框图如下：

图3.1 曼彻斯特编解码威廉希尔官方网站 原理框图

3.1 编码威廉希尔官方网站
编码威廉希尔官方网站 的实现,编码威廉希尔官方网站 模块具体分为以下几个部分：时钟源，占空比调整威廉希尔官方网站 ，同步威廉希尔官方网站 ，编码威廉希尔官方网站 。
结构图如下所示：

图 3.2 编码威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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，编码威廉希尔官方网站 仅需要一个D触发器，一个数据选择器;而译码威廉希尔官方网站 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。硬件威廉希尔官方网站 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。
编码威廉希尔官方网站 主要由时钟威廉希尔官方网站 模块、占空比调整威廉希尔官方网站 、编码威廉希尔官方网站 部分组成。时钟信号 产生很多时候多是采用集成威廉希尔官方网站 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。因此威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 实际上是一个二分频威廉希尔官方网站 ，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威廉希尔官方网站 ，精确度可达4五至9个数量级，完全符合威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。

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、遥控器等各类振荡威廉希尔官方网站 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：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威廉希尔官方网站 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频率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 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威廉希尔官方网站 ，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、遥控器等各类振荡威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 的形式是多种多样的，但基本威廉希尔官方网站 只有两类，即并联型和串联型石英晶体正弦波振荡威廉希尔官方网站 ，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威廉希尔官方网站 中，往往要求正弦波振荡威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 、数字系统的时钟产生威廉希尔官方网站 等。因此，有必要引用频率稳定度来作为衡量振荡威廉希尔官方网站 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振荡威廉希尔官方网站 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。由威廉希尔官方网站 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振荡威廉希尔官方网站 ，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威廉希尔官方网站 。它的频率稳定度可高达10-9甚至10-11。
石英晶体振荡威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 是基于它的压电效应，可以用上图所示的等效威廉希尔官方网站 来模拟。等效威廉希尔官方网站 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10000~500000的范围内。 等效威廉希尔官方网站 中元件的典型参数为：Co很小：几pF～几十pF，L：几十mH～几百mH，C：0.0002 pF ～0.1pF 。
下图为石英晶体的符号、等效威廉希尔官方网站 和电抗特性。

图3.4 石英晶体的符号、等效威廉希尔官方网站 和电抗特性

由等效威廉希尔官方网站 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）
（2）当f>fs时，L-C-R支路呈感性，与Co产生并联谐振。
（3.2）
由于Co>>C，故fP≈fS.
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威廉希尔官方网站 ：
当石英晶体发生串联谐振时，它呈纯阻性，相移是0。若把石英晶体作为放大威廉希尔官方网站 的反馈网络，并起选频作用，只要放大威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。
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威廉希尔官方网站 ，形成并联型石英晶体正弦波振荡威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 如图3.5所示威廉希尔官方网站 完全可以满足系统在频率稳定度以及精确度等各项要求。

图3.5 并联型石英晶体正弦波振荡威廉希尔官方网站

3.1.2 占空比调整威廉希尔官方网站
占空比调整威廉希尔官方网站 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管脚，从而构成一个二分频威廉希尔官方网站 实现占空比调整，将原来由石英晶体震荡威廉希尔官方网站 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：

图3.6 占空比调整威廉希尔官方网站

3.1.3 编码威廉希尔官方网站
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：
图3.7 编码威廉希尔官方网站
以上则构成了曼彻斯特编码威廉希尔官方网站 模块。

3.2 解码威廉希尔官方网站
解码威廉希尔官方网站 中，由于同步时钟信号已经有专门的模块威廉希尔官方网站 恢复出来，因此直接利用，解码威廉希尔官方网站 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。因此解码威廉希尔官方网站 中，理论上只需要一个D触发器即可以实现。解码威廉希尔官方网站 比较简单。

3.3 同步信号提取威廉希尔官方网站
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，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。
同步信号提取威廉希尔官方网站 是整个威廉希尔官方网站 中最关键也是最复杂的部分，它的成功与否直接影响整个威廉希尔官方网站 的正常工作，任何一点同步信号提取威廉希尔官方网站 的误差都可能导致最终的解码输出误码。
同步时钟提取威廉希尔官方网站 具体分为以下几个部分：
整形威廉希尔官方网站
微分威廉希尔官方网站
全波整流威廉希尔官方网站
窄带滤波威廉希尔官方网站
锁相环威廉希尔官方网站 及二分频
结构图如下所示：

图3.8 同步时钟提取威廉希尔官方网站 原理图

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威廉希尔官方网站 ，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威廉希尔官方网站 及应用于模拟与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)威廉希尔官方网站 图 (b)传输特性
图 3.10 电压比较器
当ui＜UR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uO＝UZ
当ui＞UR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uo＝－UD
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
威廉希尔官方网站 如下图所示为加限幅威廉希尔官方网站 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Ui＞0时，输出UO＝-(UZ+UD)，当Ui＜0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 利用微分威廉希尔官方网站 检出曼码跳变沿
微分威廉希尔官方网站 可把矩形波转换为尖脉冲波,此威廉希尔官方网站 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（即威廉希尔官方网站 的时间常数）,R*C越小,尖脉冲波形越尖,反之则宽。此威廉希尔官方网站 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耦合威廉希尔官方网站 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，利用微分威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 形式。为表达方便，这里我们使输入为频率为50Hz的方波，经过微分威廉希尔官方网站 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 微分威廉希尔官方网站 波形图

图3.13 示波器波形
当第一个方波电压加在微分威廉希尔官方网站 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。电流经过微分威廉希尔官方网站 （R、C）的规律可用下面的公式来表达（参考右图）：

• i-充电电流（A）；
• v-输入信号电压（V）；
• R-威廉希尔官方网站 电阻值（欧姆）； 图3.14 微分威廉希尔官方网站
C-威廉希尔官方网站 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（其曲线见下图）：

图3.15输出电压曲线图

3.3.3 全波整流威廉希尔官方网站
在微分威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 将微分威廉希尔官方网站 输出的尖锋脉冲统一为一个极性，然后送入窄带滤波威廉希尔官方网站 即可提取出位同步信号。全波整流威廉希尔官方网站 有单相全波整流威廉希尔官方网站 和桥式整流威廉希尔官方网站 等几种类型，下面是对它们各自性能的分析。
全波整流威廉希尔官方网站
全波整流威廉希尔官方网站 ，可以看作是由两个半波整流威廉希尔官方网站 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e2a 、e2b ，构成e2a 、D1、Rfz与e2b 、D2 、Rfz ，两个通电回路。
全波整流威廉希尔官方网站 的工作原理：在0～π 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π-2π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）
全波整流威廉希尔官方网站 的输出电压为:
（3.3）
流过负载的平均电流为
（3.4）
二极管所承受的最大反向电压

单相全波整流威廉希尔官方网站 的脉动系数S与单相桥式整流威廉希尔官方网站 相同。
（3.5）
单相桥式整流威廉希尔官方网站 的变压器中只有交流电流流过，而全波整流威廉希尔官方网站 中有直流分量流过。所以单相桥式整流威廉希尔官方网站 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。单相桥式整流威廉希尔官方网站 的总体性能优于全波整流威廉希尔官方网站 ，故广泛应用于直流电源之中。
单相桥式整流威廉希尔官方网站

（a）

(b)
图3.16 单相桥式整流威廉希尔官方网站
单相桥式整流电单相桥式整流威廉希尔官方网站 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变成整流威廉希尔官方网站 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D1～D4接成电桥的形式，故有桥式整流威廉希尔官方网站 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，桥式整流威廉希尔官方网站 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，可得桥式整流威廉希尔官方网站 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。
桥式整流威廉希尔官方网站 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，这种威廉希尔官方网站 在半导体整流威廉希尔官方网站 中得到了颇为广泛的应用。威廉希尔官方网站 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QL51A～G、QL62A～L等，其中QL62A～L的额定电流为2A，最大反向电压为25V～1000V。故单相桥式整流威廉希尔官方网站 常画成图3.16（b）所示的简化形式。
在综合对比了桥式整流威廉希尔官方网站 和全波整流威廉希尔官方网站 的各自性能后，显然桥式整流威廉希尔官方网站 唯一缺点就是二极管用得较多，但威廉希尔官方网站 效率较高，因此在同步信号提取模块中采用了桥式整流威廉希尔官方网站 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 桥式整流威廉希尔官方网站 的工作波形图

3.3.4 窄带滤波威廉希尔官方网站
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威廉希尔官方网站 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的作用。这些滤波器要求其频率从数千赫到数十千兆赫，相对带宽小到目前为止0.1%-0.01%,有的要求宽带为几十赫，甚至1赫。能完成上述要求的窄带滤波器，有：机械滤波器（包括音叉滤波器、音片滤波器、棒状或圆片状滤波器），陶瓷滤波器和晶体滤波器。概况地说，音片、音叉滤波器适用于20KHZ以下；圆片、棒状滤波器适用于600KHZ以下；陶瓷滤波器、晶体滤波器适用以上所有的频率，但晶体滤波器的Q值远较陶瓷滤波器高，能实现更窄的带宽。
众所周知，一块单晶体谐振器具有等效电感 、等效电容 、等效损耗电阻 、和结构电容 。 如果省掉 ，可以视为理想的三元件二端网路，那么它有一个串联谐振频率 和一个并联谐振频率的 。将一块谐振器串联在两级放大器之间，利用它的串联谐振特性，获得一个通带很窄的选择放大器、其中心 而定，通带宽度决定于谐振器的Q值。这种串联晶体的选择放大器叫做有源晶体滤波器，然而它的阻带衰减特性差。这种选择放大器特性差的主要原因是由于谐振器的结构电容 所致，因为阻带频率信号可以通过 由第一级放大器直接藕合到第二级、频率较高时更为重要。为了克服这一缺点，则希望设置另一通路，以获得与此衰减较大的衰减特性。这就是有源晶体滤波器，其典型线路如图所示。

图3.18 有源晶体滤波威廉希尔官方网站
有源晶体滤波器因消除了 对阻带特性的影响,而获得了好的滤波特性。如果对于衰减特性要求更好的滤波器，使用两节单晶体滤波威廉希尔官方网站 串接，其特性比一节双晶体滤波威廉希尔官方网站 的滤波器要好。图中C常采用可变电容器，其值在X2晶体谐振器 值附近，在威廉希尔官方网站 调试中进行调整。
晶体谐振器的数量和参数的计算，主要取决于有源滤波器的频率衰减特性。在串有晶体的选择放大器中，晶体谐振器的有效 值为。

其中：

为晶体谐振器的等效电感
为滤波器的3dB带宽
为晶体谐振器中的等效电阻
是晶体谐振器的等效串联电阻 与外威廉希尔官方网站 总电阻串联的总电阻。而外威廉希尔官方网站 总电阻又是第一级放大器的输出阻抗、第二级放大器的输入阻抗之和，如果晶体中还串有调节带宽的电阻，则该总电阻还应加上串联电阻值。在设计滤波器时，我们可以根据要求的阻带特性来确定晶体的数量n。当晶体的数量确定后，则可求出中心频率两侧的晶体数量。
( n为奇数 )
( n为偶数 )
又滤波器的有效值为

其中 为滤波器3dB带宽。
那么，第m个晶体的 值为

设 为在以 上频率第m个晶体的频率， 为在 以
下频率的第m个 晶体的频率，则有如下关系。
（3.6）
（3.7）
（3.8）
根据上式有源晶体滤波器中各晶体谐振器的值、频率即可求出。
有源晶体滤波器不但可实现非常窄的带宽，而且调试、制作极为方便。
基于有源滤波器原理，也可以采用陶瓷振子、附有换能器的机械子作成有源滤波器，统称为”有谐振子滤波器”。

3.3.5 锁相环
许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环路是一种反馈控制威廉希尔官方网站 ，简称锁相环
（PLL）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环

图3.19 锁相环原理图
路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪威廉希尔官方网站 。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。
锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图所示。锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成 电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压 ，对振荡器输出信号的频率实施控制。
锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器威廉希尔官方网站 如图所示。鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：
（3.9）

（3.10）式中的 为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为威廉希尔官方网站 的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压 为：

（3.11）

用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压 。即 为：
（3.12）
式中的 为输入信号的瞬时振荡角频率， 和 分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：

即
则，瞬时相位差 为
（3.13）

对两边求微分，可得频差的关系式为
（3.14）
上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态， 为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等， 随时间而变。
因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率 以 为中心，随输入信号电压 的变化而变化。该特性的表达式为
（3.15）
上式说明当 随时间而变时，压控振荡器的振荡频率 也随时间而变，锁相环进入”频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持的 状态不变。因此利用锁相环威廉希尔官方网站 可以自动跟踪捕捉输入信号的频率。
第四章 运用VHDL语言对同步方法仿真

4.1 VHDL语言简介
VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated CircuiHardwareDescription Language,诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本，（简称93版）。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。
VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个威廉希尔官方网站 模块或一个系统）分成外部（或称可是部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。
由于刚开始接触VHDL,故使用MAX+PLUS II开发环境来学习,编程仿真，原因如下：
1,它界面简洁明了,便于上手;
2,安装文件不大,易于破解;
3,它将编译,综合,布线,仿真集于一步完成,要求配置不高,运行速度快。

4.2 VHDL语言仿真
由于此曼彻斯特编解码威廉希尔官方网站 的核心部分是同步信号提取模块，是整个威廉希尔官方网站 中最关键也是最复杂的部分，它的成功与否直接影响整个威廉希尔官方网站 的正常工作，任何一点同步信号提取威廉希尔官方网站 的误差都可能导致最终的解码输出误码。因此设计过程中采用硬件仿真的方法对此威廉希尔官方网站 模块的功能以及性能进行仿真极其重要，能够及早发现威廉希尔官方网站 中存在的问题，进行改进。本次设计选择的是VHDL语言进行仿真。
同步信号提取模块原理示意图：见图3.8
硬件描述语言HDL是一种用形式化方法描述数字威廉希尔官方网站 和系统的语言。利用这种语言，数字威廉希尔官方网站 系统的设计可以从上层到下层（从抽象到具体）逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。然后，利用电子设计自动化（EDA）工具，逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际威廉希尔官方网站 的模块组合，经过自动综合工具转换到门级威廉希尔官方网站 网表。接下去，再用专用集成威廉希尔官方网站 ASIC或现场可编程门阵列FPGA自动布局布线工具，把网表转换为要实现的具体威廉希尔官方网站 布线结构。
目前，这种高层次(high-level-design)的方法已被广泛采用。据统计，目前在美国硅谷约有90%以上的ASIC和FPGA采用硬件描述语言进行设计。
硬件描述语言HDL的发展至今已有20多年的历史，并成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。到20世纪80年代，已出现了上百种硬件描述语言，对设计自动化曾起到了极大的促进和推动作用。但是，这些语言一般各自面向特定的设计领域和层次，而且众多的语言使用户无所适从。因此，急需一种面向设计的多领域、多层次并得到普遍认同的标准硬件描述语言。20世纪80年代后期，VHDL和Verilog HDL语言适应了这种趋势的要求，先后成为IEEE标准。
现在，随着系统级FPGA以及系统芯片的出现，软硬件协调设计和系统设计变得越来越重要。传统意义上的硬件设计越来越倾向于与系统设计和软件设计结合。硬件描述语言为适应新的情况，迅速发展，出现了很多新的硬件描述语言，像Superlog、SystemC、Cynlib C++等等。究竟选择哪种语言进行设计，整个业界正在进行激烈的讨论。因此，完全有必要在这方面作一些比较研究，为EDA设计做一些有意义的工作，也为发展我们未来的芯片威廉希尔官方网站 打好基础。
本次仿真过程中，按照同步信号提取模块原理示意图（见图3.8）先利用VHDL语言分别构成各部分逻辑威廉希尔官方网站 以及各个芯片，然后采用WIRE语句组合从而构成了VHDL语言所编写的威廉希尔官方网站 ，然后利用MAX+PLUS II加以仿真即可.以下是VHDL仿真波形图：
图4.2 VHDL仿真波形图
由图可知，本同步信号提取模块成功实现了同步信号的提取，完全可用来解码曼彻斯特码。仿真论证了此同步信号提取模块的理论正确可行。
第五章 Protel软件绘制威廉希尔官方网站 图简介

5.1 Protel软件简介
自从澳大利亚Protel Technology公司的计算机辅助威廉希尔官方网站 设计软件Tango进入中国市场以来，它以操作简便、功能强大等优点逐步得到了广大用户的青睐。Protel 3.x虽然易学易用，但终将被淘汰。随着Microsoft公司的Windows 3.x，Windows 95，Windows 98操作平台的相继亮相，Protel Design System V1.0、V2.x、V、3.x，以至如今的 Protel98/99SE。Protel Design System包括下面几个部分：
（1）Advanced Schematic，它的主要功能是绘制威廉希尔官方网站 图、编辑零件库及生成网络表文件。
（2）Advanced PCB Design，它的主要功能是用来设计负责制威廉希尔官方网站 板。
（3）Advanced PLD，主要用来设计可编程逻辑器件（PLD）。
（4）其它模拟程序，如类比威廉希尔官方网站 模拟器（Analog Simulator）、数字威廉希尔官方网站 模拟器（Digital Simulator）及混合信号模拟器（Mixed Signal Simulator）等，这些模拟器可让电子工程师们在还没实际做出威廉希尔官方网站 和印制威廉希尔官方网站 板之前，能验证一下所设计的的威廉希尔官方网站 是否正确，或评估其可行性。
Protel Design System还有许多优点，如：完全支持中文Windows，可随意执行”复制”、”粘贴”命令；可在威廉希尔官方网站 图中随意填写各种字体的中英文字；可直接在原理图中随意粘贴图片、绘制几何图形、波形，甚至机械结构；可产生或读取OrCAD的图形文件及零件库文件；完全支持Windows所使用的打印机和绘图仪，并可预览打印效果等等。以上的功能及优点是DOS版本下的Protel 3.x所完全不能比拟的。

5.2 威廉希尔官方网站 图绘制
protel是专业威廉希尔官方网站 设计软件，可供电子类各专业设计人员和广大电子爱好者使用，所提供的零件库包含了相当全面的元器件符号图，零件库数量很多，零件的数量更多，载入protel的Schematic中的DEVICE.LIB和SYMBOLS.LIB可满足一般用户需求，两个零件库中含有二极管、三极管、电阻、电容、电感等常用元件。为了使用方便可将常用元件符号按汉字习惯名称命名。以电容为例说明具体命名方法：在元件编辑程序中找到电容的编号CAP，这时编辑区中可看到电容的威廉希尔官方网站 符号图，group框中有电容的编号CAP，单击group框下的Add键出现命名新名对话框如图1所示。输入新名：电容，然后按OK键完成电容符号命名。可依同样方法完成三极管、二极管、电阻、电感等常用元件编号的重新命名。因为元件名称在元件库内容框中的排序是数字、字母、汉字，使用汉字命名元件名称可将新名称元件排列在元件内容的最后且在一起，寻找元件非常方便。返回Schematic环境前不要忘记存盘，否则前期命名工作将劳而无功。在威廉希尔官方网站 图中放置元器件时，原来是通过单击Schlib标签或EDIT按钮转换到零件库编辑程序中查看编号所对应的威廉希尔官方网站 符号，寻找所需元件。若完成了常用元件的汉字命名工作就省略了此步，直接单击选中所需元件的汉字名称。由此可看出，采用前面介绍的元件编号的汉字重新命名方法可节省寻找时间，使摆放元件符号的效率提高数倍。
元件摆放完成后的工作是进行导线连接。软件提供格、点两种格式的栅格，这一格式使摆放导线和元件时上下左右移动必须以一个栅格为最小移动单位，元件容易摆放整齐，使你画的图纸规范（导线横平竖直）。当然，栅格格式是可选项，其默认值是栅格状态。
通常绘制威廉希尔官方网站 图的最后一项工作是编辑零件名称，包含放置元件的名称、序号、数值、管脚编号、管脚功能等，若要输入汉字名称可启动汉字输入法进行输入，根据使用经验，在完成汉字名称输入后按OK键之前请先退出汉字输入法，否则经常会发生死机现象。这种现象的出现可能是英文版软件与汉字输入法不兼容而引起，如果绘制的图纸未存盘将前功尽弃，绘图工作不得不从头作起。所以要养成绘图过程中随时存盘的习惯，尤其是在编辑零件名称前一定要进行存盘处理防止死机，节省绘图时间。
完成所有摆放元件的名称编辑时，有时一些名称的位置不合适并且无法放到合适的位置，原因是软件默认状态为栅格状态，所以零件名称的摆放位置只能以栅格为移动单位。当需要放置到栅格中位置才能使图纸美观时，可将栅格状态暂时取消，摆放后恢复，方法是找到View菜单中的Snap Grid项用鼠标左键单击即可取消栅格状态，完成各零件名称编辑摆放工作后恢复栅格状态，该键为复选键，处于选中状态时单击一次为取消，再单击一次为选中。
威廉希尔官方网站 图绘制完成后，读者可使用Schematic预置图纸格式打印，也可随需要自定义图纸格式打印。若要提高打印图纸的清晰度，可将栅格和底色清除，底色的清除方法是在Sheet项中设定图纸的底色为白色；去掉栅格的方法是将图2对话框Grids区块中Visible项清除（默认状态为选中）。这时就可打印出清晰并且带有图框、分区和标题栏的标准图纸。如选用标准图纸打印出的图纸尺寸大小不合适可用自定义方式设定图纸尺寸，不管是标准还是自定义图纸都可使用Schematic软件的自动缩放打印功能,选用了此项功能程序会将威廉希尔官方网站 图缩放到刚好容纳于图纸中，在图3所示对话框中的Scale区块中的Scale to fit page 项就是自动缩放功能选择项，默认为选中。%号左边显示出威廉希尔官方网站 图在图纸中占的比例，在这里读者应了解所占比例的含义，它包含了两种图纸尺寸的设定：威廉希尔官方网站 图图纸尺寸与打印机纸张尺寸，当打印机纸张尺寸确定且选用了自动缩放功能，其所占比例大小只与两种图纸的宽高比例是否一致有关，与威廉希尔官方网站 图图纸尺寸无关，当两种图纸的宽高比例一致时最大。
打印普通威廉希尔官方网站 图（普通威廉希尔官方网站 图指产品说明书、插图等，它不需图框和标题栏）时，将图2中Show Reference Zone、Show Border、Title Block项全选掉。其中Show Reference Zone为显示分区坐标项、Show Border为显示图框项、Title Block为显示标题栏项。这时观看所画威廉希尔官方网站 图是否充满图纸，若恰好充满图纸就可选掉栅格和底色后直接打印或通过剪贴板加入文件中。但一般情况是所画威廉希尔官方网站 图仅占图纸的一部分，如果直接打印就使威廉希尔官方网站 图在图纸中所占比例很小，加入文件时位图较大。改进方法是在使用前将图纸中未画威廉希尔官方网站 图的多余部分剪裁掉。具体做法是将图纸的底色设置为深颜色，如深绿色。威廉希尔官方网站 图全选中以便整体移动威廉希尔官方网站 图，图纸用深色是为了移动威廉希尔官方网站 图时容易看清图纸，然后选用自定义图纸方式，调整图纸宽度和高度使所画威廉希尔官方网站 图恰好充满图纸，调整图纸宽度和高度需反复几次才能完成，每次调整数值后以威廉希尔官方网站 图与图纸不分离为限，若两者分离威廉希尔官方网站 图将不能移进图纸。调整完成后取消栅格和底色就可打印出最大比例的威廉希尔官方网站 图，并使加入文件时的位图最小。标准图纸格式的调整方法同上，只是加上了图框和标题栏，但在缩小图纸后应防止威廉希尔官方网站 图与标题栏重合。
在电子产品威廉希尔官方网站 图中绘出各关键点的信号波形图是威廉希尔官方网站 图可读性与实用性的需要。由于威廉希尔官方网站 中各种信号形态各异，历来是威廉希尔官方网站 图绘制中的难题，如再考虑非线性失真状态下的不对称波形，更增加了绘画工作的难度。protel提供有一组普通绘画工具，但很少被威廉希尔官方网站 图绘制者关注。使用该组工具不仅可以绘出了各种对称、非对称电信号波形，而且还结合软件中镜像、栅格、复制等功能为电工、电子、物理类教科书、实验指导书绘制了很多插图。
第六章 结论与展望

本论文讨论了曼彻斯特编解码器的设计与实现。在数字通信中，同步问题是一个研究的重点。在测井通信系统中，复杂多变的外界环境，对通信的性能提出了更高的要求，所以在通信系统中，良好的位同步的实现对于解码以及整个通信系统的正常工作的意义重大。
为了达到设计要求，设计了曼切斯特编解码器。讨论了曼彻斯特编解码器的实现方案，就其各方面进行分析比较，确定了实现方案，然后重点介绍了同步时钟信号提取仿真及实现。
最后介绍了系统的硬件威廉希尔官方网站 和整个系统的调试及调试结果。在本课题的各阶段的调试过程中，该100KPBS码率的曼彻斯特编解码器都能够完成编解码功能，性能稳定。且编解码器在与系统各部分的联调中，误码率也达到了各级设计指标。
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威廉希尔官方网站 ，给威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ，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威廉希尔官方网站 ，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.因此，未来在实际生产中，用CPLD实现曼彻斯特码通信系统将得到广泛的运用。
参考文献