曼徹斯特碼原理與應(yīng)用

1、曼徹斯特碼1 曼徹斯特原理介及其編碼規(guī)則12 曼徹斯特碼的各方面應(yīng)用33 曼徹斯特碼與差分曼徹斯特碼51 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(hào)編碼。它具有內(nèi)在的時(shí)鐘信息，因而能使網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)系統(tǒng)保持同步。在manchester編碼中，時(shí)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(shí)間本身又分為兩半，前半個(gè)時(shí)間段所傳信號(hào)是該時(shí)間段傳送比特值的反碼，后半個(gè)時(shí)間段傳送的是比特值本身。可見(jiàn)在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，其中間點(diǎn)總有一次信號(hào)電平的變化，因此攜帶有信號(hào)傳送的同步信息而不需另外傳送同步信號(hào)。manchester編碼采用電平由高到低變化的下降沿代表0，電平由低

2、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(xiàn)數(shù)目，信息的傳遞可采用兩根線(xiàn)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(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1 二進(jìn)制碼和曼徹斯特碼對(duì)比圖在電信領(lǐng)域，曼徹斯特碼,(也稱(chēng)作相位碼或者pe）是一種數(shù)據(jù)通訊線(xiàn)性碼，它的每一個(gè)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(rèn)為是一種自定時(shí)碼。自定時(shí)意味著數(shù)據(jù)流的精確同步是可行的。每一個(gè)比特都準(zhǔn)確的在一預(yù)先定義時(shí)間時(shí)期的時(shí)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編碼）,在達(dá)到同等目的情況下只需要更少帶寬負(fù)荷并

3、且只有更少的同步信號(hào)相位模糊。二進(jìn)制碼與曼徹斯特碼波形的對(duì)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(lái)區(qū)分1和0，即用正的電壓跳變表示0，用負(fù)的電壓跳變表示1。因此，這種編碼也稱(chēng)為相應(yīng)編碼。由于跳變都發(fā)生在每一個(gè)碼元的中間，接收端可以方便地利用它作為位同步時(shí)鐘，因此，這種編碼也稱(chēng)為自同步編碼。用于數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型種類(lèi)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(lái)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(shí)碼自定時(shí)意味著數(shù)據(jù)流的精確同步是可行的。每一

4、個(gè)比特都準(zhǔn)確的在一預(yù)先定義時(shí)間時(shí)期的時(shí)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(shí)鐘信號(hào)，又作數(shù)據(jù)信號(hào)；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(shí)鐘定時(shí)，而用每位開(kāi)始時(shí)有無(wú)跳變表示"0"或"1"，有跳變?yōu)?quot;0"，無(wú)跳變?yōu)?quot;1"。 曼徹斯特編碼提供了一種簡(jiǎn)單的方法在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有電平跳變的情況下，仍然能夠?qū)θ我獾亩M(jìn)制序列進(jìn)行編碼，并且防止在這種情況下同步時(shí)鐘信號(hào)的丟失以及防止低通模擬電路中低頻直

5、流飄移所引起的比特錯(cuò)誤。如果保證傳送的編碼交流信號(hào)的直流分量為零并且能夠防止中繼信號(hào)的基線(xiàn)漂移，那么很容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)的恢復(fù)和防止能量的浪費(fèi)。曼徹斯特碼具有豐富的位定時(shí)信息。在物理層的同步時(shí)鐘編碼技術(shù)用來(lái)將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)編碼統(tǒng)一在一個(gè)同步比特?cái)?shù)據(jù)流中。在這項(xiàng)技術(shù)中,在電纜上被傳送的真實(shí)二元數(shù)據(jù)不是以一連串的邏輯序列1或者0來(lái)表示的(這項(xiàng)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(gè)略微不同格式,比起直接用二進(jìn)制碼(i.e. nrz)來(lái)有許多的優(yōu)勢(shì)。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(hào)跳變不一定在bitboundarie

6、s比特邊界（一個(gè)比特和另外一個(gè)比特)之間的分界線(xiàn)，但是總是發(fā)生在每個(gè)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11到0（比特中心向上跳變）邏輯00到1（比特中心向下跳變） manchester編碼的實(shí)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maxplus軟件，利用vhdl語(yǔ)言對(duì)程序進(jìn)行編寫(xiě)和仿真，對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)的情況下，將程序下載到fpga平臺(tái)進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。 曼徹斯特編碼的缺點(diǎn)在于為每一比特進(jìn)行電平跳變的結(jié)果是曼徹斯特信號(hào)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之處，在達(dá)到的同

7、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(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)所采用，例如以太網(wǎng)電訊標(biāo)準(zhǔn). 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(shí)鐘、去除了零頻率信號(hào)的特性使得它在石油勘探測(cè)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(gè)被應(yīng)用在物理層的同步時(shí)鐘編碼技術(shù)用來(lái)將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)編碼統(tǒng)一在一個(gè)同步比特?cái)?shù)據(jù)流中。在這項(xiàng)技術(shù)中,在電纜上被傳送的真實(shí)二元數(shù)據(jù)不是以一連串的邏輯序列1或者0來(lái)表示的(這項(xiàng)技術(shù)也是一種不歸零碼nrz）。這些要傳送的數(shù)據(jù)

8、比特被轉(zhuǎn)換成一個(gè)略微不同格式,比起直接用二進(jìn)制碼(i.e. nrz)來(lái)有許多的優(yōu)勢(shì)。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(hào)跳變不一定在bitboundaries比特邊界（一個(gè)比特和另外一個(gè)比特)之間的分界線(xiàn)，但是總是發(fā)生在每個(gè)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(wú)線(xiàn)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(diǎn)是:數(shù)據(jù)和同步時(shí)鐘統(tǒng)一編碼，曼碼中含有豐富的時(shí)鐘信號(hào)，直流分量基本為零，接收器能夠較容易恢復(fù)同步時(shí)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

9、傳輸。ieee802.4令牌總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)采用了此種傳輸技術(shù)。曼徹斯特編碼被使用作一個(gè)以太網(wǎng)局域網(wǎng)的物理層,對(duì)于一個(gè)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(wèn)題。cat5e纜線(xiàn)的帶寬有限，為了達(dá)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(gè)4b/5b mlt編碼方案。它使用(代替曼徹斯特編碼使用的兩個(gè)電平值)三個(gè)信號(hào)電平值，因此可以實(shí)現(xiàn)100 mbps信號(hào)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(hào)傳輸系統(tǒng)取代10baset的二電平曼徹斯特編碼，能實(shí)現(xiàn)快速以太網(wǎng)的兼容性。這種方案采用一種最初為fddi（光纖分布式數(shù)據(jù)接口）系統(tǒng)

10、開(kāi)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(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)和增加控制碼，例如數(shù)據(jù)流起始和終止定界符。將符號(hào)率提高到125 mbps，可補(bǔ)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(huì)被曼徹斯特編碼擴(kuò)展到數(shù)百兆赫。衰減損耗和emc問(wèn)題使這種方法無(wú)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?xún)?nèi)提供1gbps的數(shù)據(jù)速率。曼徹斯特碼在測(cè)井方面也有廣泛應(yīng)用。測(cè)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(cè)井技術(shù)發(fā)展到了數(shù)字測(cè)井技術(shù)

11、；二是由數(shù)字測(cè)井技術(shù)發(fā)展到了數(shù)控測(cè)井技術(shù)。進(jìn)入90年代，成像測(cè)井技術(shù)獲得了較大的發(fā)展，測(cè)井系統(tǒng)中需要傳送的數(shù)據(jù)信息量越來(lái)越大，為此必須解決數(shù)據(jù)的高速傳輸與正確接收兩個(gè)問(wèn)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(cè)井?dāng)?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(shí)分量，又無(wú)直流漂移，編碼過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，因而曼徹斯特（manchester）碼是測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸中常用的編碼方式之一。 目前，在實(shí)際的工程測(cè)井中，常采用manchester編譯碼器hd-15530把測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為manchester碼及把manchester碼解碼為數(shù)據(jù).由于hd-15530發(fā)送數(shù)

12、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(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸速率不高，可用單片機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)manchester編碼和解碼功能. 在油田測(cè)井中，井下儀在井下采集大量信息，并傳送給地面測(cè)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

13、斯特碼具有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，消除了nrz碼的直流成分，具有時(shí)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(shí)鐘信號(hào)，又作數(shù)據(jù)信號(hào)；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(shí)鐘定時(shí)，而用每位開(kāi)始時(shí)有無(wú)跳變表示"0"或"1"，有跳變?yōu)?quot;0"，無(wú)跳變?yōu)?quot;1"。兩種曼徹斯特編碼是將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)包含在數(shù)據(jù)流中，在傳

14、輸代碼信息的同時(shí)，也將時(shí)鐘同步信號(hào)一起傳輸?shù)綄?duì)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(gè)碼元都被調(diào)成兩個(gè)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(shuō)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(lái)區(qū)分1和0，即用正的電壓跳變表示0，用負(fù)的電壓跳變表示1。因此，這種編碼也稱(chēng)為相應(yīng)編碼。由于跳變都發(fā)生在每一個(gè)碼元的中間，接收端可以方便地利用它作為位同步時(shí)鐘，因此，這種編碼也稱(chēng)為自同步編碼。曼徹斯特編碼的編碼規(guī)則是: 在信號(hào)位中電平從低到高跳變表示1 ，在信號(hào)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(hào)位開(kāi)始時(shí)不改變信號(hào)極性，表示輯"1" ，在信號(hào)位開(kāi)始時(shí)改變信號(hào)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(jìn)。他們的特征是在傳輸?shù)拿恳晃恍畔⒅卸紟в形煌綍r(shí)鐘，因此一次傳輸可以允許有很長(zhǎng)的數(shù)據(jù)位。 曼切斯特編碼的每個(gè)比特位在時(shí)鐘周期內(nèi)只占