曼徹斯特碼原理與應(yīng)用

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1、曼徹斯特碼 1 曼徹斯特原理介及其編碼規(guī)則 1 2 曼徹斯特碼的各方面應(yīng)用 3 3 曼徹斯特碼與差分曼徹斯特碼 5 1 曼徹斯特原理介及其編碼規(guī)則 Manchester編碼是一種常用的基帶信號編碼。它具有內(nèi)在的時鐘信息，因而能使網(wǎng)絡(luò)上的每一個系統(tǒng)保持同步。在Manchester編碼中，時間被劃分為等間隔的小段，其中每小段代表一位數(shù)據(jù)。每一小段時間本身又分為兩半，前半個時間段所傳信號是該時間段傳送比特值的反碼，后半個時間段傳送的是比特值本身?？梢娫谝粋€時間段內(nèi)，其中間點總有一次信號電平的變化，因此攜帶有信號傳送的同步信息而不需另外傳送同步信號。 Manchester編碼采用電平由

2、高到低變化的下降沿代表0，電平由低到高變化的上升沿代表1；發(fā)送和接收的同步工作方式保證了信息傳遞的方便和可靠。 為了減少控制器與位置反饋單元之間的連線數(shù)目，信息的傳遞可采用兩根線的串行方式。發(fā)送端和接收端的同步靠信息脈沖串之前的同步脈沖串來實現(xiàn)。 圖1 二進制碼和曼徹斯特碼對比圖 在電信領(lǐng)域，曼徹斯特碼,(也稱作相位碼或者PE）是一種數(shù)據(jù)通訊線性碼，它的每一個數(shù)據(jù)比特都是由至少一次電壓轉(zhuǎn)換的形式所表示的曼徹斯特編碼被因此被認為是一種自定時碼。自定時意味著數(shù)據(jù)流的精確同步是可行的。每一個比特都準確的在一預(yù)先定義時間時期的時間中被傳送。但是,今天有許許多多的復(fù)雜的編碼方法(例如8B/10B編

3、碼）,在達到同等目的情況下只需要更少帶寬負荷并且只有更少的同步信號相位模糊。 二進制碼與曼徹斯特碼波形的對比關(guān)系如圖1所示。 在曼徹斯特編碼中，用電壓跳變的相位不同來區(qū)分1和0，即用正的電壓跳變表示0，用負的電壓跳變表示1。因此，這種編碼也稱為相應(yīng)編碼。由于跳變都發(fā)生在每一個碼元的中間，接收端可以方便地利用它作為位同步時鐘，因此，這種編碼也稱為自同步編碼。 用于數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型種類較多，Manchester碼是其中常用的一種。Manchester碼是一種用跳變沿（而非電平）來表示要傳輸?shù)亩M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

4、被認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。每一個比特都準確的在一預(yù)先定義時間時期的時間中被傳送。 在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數(shù)據(jù)信號；從高到低跳變表示"1"，從低到高跳變表示"0"。還有一種是差分曼徹斯特編碼，每位中間的跳變僅提供時鐘定時，而用每位開始時有無跳變表示"0"或"1"，有跳變?yōu)?0"，無跳變?yōu)?1"。 曼徹斯特編碼提供了一種簡單的方法在長時間段內(nèi)沒有電平跳變的情況下，仍然能夠?qū)θ我獾亩M制序列進行編碼，并且防止在這種情況下同步時鐘信號的丟失以及防止低通模擬電路中低頻直流飄移所引起的比特錯誤。如果保證傳送的編碼交流信號

5、的直流分量為零并且能夠防止中繼信號的基線漂移，那么很容易實現(xiàn)信號的恢復(fù)和防止能量的浪費。曼徹斯特碼具有豐富的位定時信息。 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。在這項技術(shù)中,在電纜上被傳送的真實二元數(shù)據(jù)不是以一連串的邏輯序列1或者0來表示的(這項技術(shù)也是一種不歸零碼NRZ）。這些要傳送的數(shù)據(jù)比特被轉(zhuǎn)換成一個略微不同格式,比起直接用二進制碼(i.e. NRZ)來有許多的優(yōu)勢。 在曼徹斯特編碼方案中,比特周期中間的0到1跳變表示邏輯0，比特周期中間的1到0的跳變表示邏輯1。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

6、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)則列出如下表1所示。 表1 初始數(shù)據(jù) 發(fā)送的值 邏輯1 1到0（比特中心向上跳變） 邏輯0 0到1（比特中心向下跳變） Manchester編碼的實現(xiàn)可以是硬件的也可以是軟件的，在本課題中主要采用的MAXPLUSⅡ軟件，利用VHDL語言對程序進行編寫和仿真，對軟件實現(xiàn)的情況下，將程序下載到FPGA平臺進行硬件實現(xiàn)。 曼徹斯特編碼的缺點在于為每一比特進行電平跳變的結(jié)果是曼徹斯特信號編碼所要求的帶寬相比異步通訊要高一倍，并且其頻譜也更寬。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

7、之處，在達到的同樣的目標的情況下，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。 2 曼徹斯特碼的各方面應(yīng)用 曼徹斯特編碼已經(jīng)被許多高效率且被廣泛使用的電信標準所采用，例如以太網(wǎng)電訊標準. 曼徹斯特編碼是一種超越傳統(tǒng)數(shù)字傳輸?shù)男诺谰幋a技術(shù)，由于其具有隱含時鐘、去除了零頻率信號的特性使得它在石油勘探測井中也得到廣泛的應(yīng)用。 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。在這項技術(shù)中,在電纜上被傳送的真實二元數(shù)據(jù)不是以一連串的邏輯序列1或者0來表示的(這項技術(shù)也是一種不

8、歸零碼NRZ）。這些要傳送的數(shù)據(jù)比特被轉(zhuǎn)換成一個略微不同格式,比起直接用二進制碼(i.e. NRZ)來有許多的優(yōu)勢。在曼徹斯特編碼方案中,比特周期中間的0到1跳變表示邏輯0，比特周期中間的1到0的跳變表示邏輯1。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。 曼徹斯特碼由于其特殊的性能，被廣泛應(yīng)用于小功率無線傳輸系統(tǒng)中。曼徹斯特編碼是申行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N重耍的編碼方式。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)，

9、具有很好的抗干擾性能，這使它更適合于信道傳輸。IEEE802.4令牌總線標準采用了此種傳輸技術(shù)。 曼徹斯特編碼被使用作一個以太網(wǎng)局域網(wǎng)的物理層,對于一個以太網(wǎng)局域網(wǎng)用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，額外的帶寬不是重要的問題。CAT5e纜線的帶寬有限，為了達到100 Mbps的數(shù)據(jù)速率需要更高效率的編碼方法，必要使用一個4b/5b MLT編碼方案。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. IEEE-802.3u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。這種方案采用

10、一種最初為FDDI（光纖分布式數(shù)據(jù)接口）系統(tǒng)開發(fā)的4B/5B編碼。這種編碼將4位數(shù)據(jù)半字節(jié)轉(zhuǎn)換為5位編碼，用以實現(xiàn)錯誤檢測和增加控制碼，例如數(shù)據(jù)流起始和終止定界符。將符號率提高到125 Mbps，可補償4B/5B內(nèi)在的20%數(shù)據(jù)傳輸效率，但是這種帶寬增加所產(chǎn)生的頻譜會被曼徹斯特編碼擴展到數(shù)百兆赫。衰減損耗和EMC問題使這種方法無法使用，所以100BaseTX使用了MLT-3（多電平轉(zhuǎn)換三電平）載波。吉比特以太網(wǎng)使用五電平值和8b/10b編碼方案，在有限的電纜帶寬下更有效率，在100 MHz的帶寬以內(nèi)提供1Gbps的數(shù)據(jù)速率。 曼徹斯特碼在測井方面也有廣泛應(yīng)用。測井技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)發(fā)生了很

11、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)。進入90年代，成像測井技術(shù)獲得了較大的發(fā)展，測井系統(tǒng)中需要傳送的數(shù)據(jù)信息量越來越大，為此必須解決數(shù)據(jù)的高速傳輸與正確接收兩個問題，如相關(guān)編碼技術(shù)、纜芯多路復(fù)用技術(shù)、基帶均衡技術(shù)等用以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和降低誤碼率.在測井數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，由于曼徹斯特碼既能提供足夠的定時分量，又無直流漂移，編碼過程相對簡單，因而曼徹斯特（Manchester）碼是測井數(shù)據(jù)傳輸中常用的編碼方式之一。 目前，在實際的工程測井中，常采用Manchester編譯碼器HD-15530把測井數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Manchester碼及把M

12、anchester碼解碼為數(shù)據(jù).由于HD-15530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.考慮到測井數(shù)據(jù)傳輸速率不高，可用單片機軟件來實現(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。曼徹斯特編碼

13、串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N重要的編碼方式。和最常用的NRZ碼相比，曼徹斯特碼具有很多優(yōu)點。例如，消除了NRZ碼的直流成分，具有時鐘恢復(fù)和更好的抗干擾性能，這使它更適合于信道傳輸。 3 曼徹斯特碼與差分曼徹斯特碼 曼徹斯特編碼，常用于局域網(wǎng)傳輸。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數(shù)據(jù)信號；從高到低跳變表示"1"，從低到高跳變表示"0"。還有一種是差分曼徹斯特編碼，每位中間的跳變僅提供時鐘定時，而用每位開始時有無跳變表示"0"或"1"，有跳變?yōu)?0"，無跳變?yōu)?1"。 兩種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

14、到對方，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。但每一個碼元都被調(diào)成兩個電平，所以數(shù)據(jù)傳輸速率只有調(diào)制速率的1/2。就是說主要用在數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)囊环N編碼方式。 在曼徹斯特編碼中，用電壓跳變的相位不同來區(qū)分1和0，即用正的電壓跳變表示0，用負的電壓跳變表示1。因此，這種編碼也稱為相應(yīng)編碼。由于跳變都發(fā)生在每一個碼元的中間，接收端可以方便地利用它作為位同步時鐘，因此，這種編碼也稱為自同步編碼。 曼徹斯特編碼的編碼規(guī)則是: 在信號位中電平從低到高跳變表示1 ，在信號位中電平從高到低跳變表示0 。 差分曼徹斯特編碼的編碼規(guī)則是: 在信號位開始時不改變信號極性，表

15、示輯"1" ，在信號位開始時改變信號極性，表示邏輯"0" 。 曼切斯特和差分曼切斯特編碼是原理基本相同的兩種編碼，后者是前者的改進。他們的特征是在傳輸?shù)拿恳晃恍畔⒅卸紟в形煌綍r鐘，因此一次傳輸可以允許有很長的數(shù)據(jù)位。 曼切斯特編碼的每個比特位在時鐘周期內(nèi)只占一半，當傳輸“1”時，在時鐘周期的前一半為高電平，后一半為低電平；而傳輸“0”時正相反。這樣，每個時鐘周期內(nèi)必有一次跳變，這種跳變就是位同步信號。 差分曼切斯特編碼是曼切斯特編碼的改進。它在每個時鐘位的中間都有一次跳變，傳輸?shù)氖恰?”還是“0”，是在每個時鐘位的開始有無跳變來區(qū)分的。 差分曼切斯特編碼比曼切斯特編碼的變化要少，因此更適合與傳輸高速的信息，被廣泛用于寬帶高速網(wǎng)中。然而，由于每個時鐘位都必須有一次變化，所以這兩種編碼的效率僅可達到50%左右。