曼彻斯特编解码电路设计.doc

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1、中南大学 本科生毕业论文（设计）题 目曼彻斯特编解码电路设计学生姓名李天栋指导教师肖大光 娄田心学 院信息科学与工程学院专业班级通信工程03级2班完成时间2007年5月目录目录I摘要IIIABSTRACTIV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 曼彻斯特码的原理及其编码规则32.1 曼彻斯特码简介及其编码规则32.2 曼彻斯特码原理32.3 曼彻斯特码的应用范围52.3.1 曼彻斯特码在LAN中的应用72.3.2 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93.1 编码电路93.2 解码电路153.3 同步信号提取电路16

2、3.3.1 利用电压比较器整形曼码183.3.2 利用微分电路检出曼码跳变沿193.3.3 全波整流电路213.3.4 窄带滤波电路243.3.5 锁相环27第四章 运用VHDL语言对同步方法仿真304.1 VHDL语言简介304.2 VHDL语言仿真30第五章 PROTEL软件绘制电路图简介335.1 Protel软件简介335.2 电路图绘制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

3、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电路进行了硬件仿真。以及对使用Protel软件绘制电路图进行了介绍。系统成功实现了曼彻斯特码数据传送的要求而且电路简单，性能稳定。关键词： 曼彻斯特码,同步信号,VHDL仿真ABSTRACTThe Manchester

4、 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 accur

5、ately 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. Th

6、e 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 p

7、uts 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

8、date transfer and it is also sample in the circuit and stable in the capability. KEY WORDS： Manchester code,VHDL,Synchronism signal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

9、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

10、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

11、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的电路图绘制。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

12、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

13、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电路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

14、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

15、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

16、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 00 到 1 (比特中心向上跳变)逻辑 11到0 (比特中心向

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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电路，给电路设计和调试带来很多困难。使用CPLD

24、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电路，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电路，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电路由三个部分组

25、成，分别是编码电路模块，解码电路模块，和同步信号提取电路模块。编码电路模块提供时钟源，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。同步时钟信号提取电路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，将其提供给解码电路模块进行解码。解码电路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电路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电路中存在的问题，便于维护。系统整体原理框图如下：时钟源 整形电路微分电路窄带滤波电路原码输入全波整流电路占空比调整电路同步电路编码电路锁相环跟踪 2分

26、频整形电路解码电路原码输出图3.1 曼彻斯特编解码电路原理框图3.1 编码电路编码电路的实现,编码电路模块具体分为以下几个部分：时钟源，占空比调整电路，同步电路，编码电路。结构图如下所示： 编码输入 曼码 输出 时钟源占空比调整编码同步 图 3.2 编码电路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

27、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电路的不同部分产生的，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

28、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，编码电路仅需要一个D触发器，一个数据选择器;而译码电路仅需要一个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。硬件电路比较简单，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。编码电路主要由时钟电路模块、占空比调整电路、编码电路部分组成。时钟信号 产生很多时候多是采用集成电路定时器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。因此电路的输出波形为矩形脉冲，脉冲的占空比随频

29、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电路设计速率为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电路实际上是一个二分频电路，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电路，精确度可达4五至9个数量级，完全符合电路的要求。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电路。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、遥控器等各类振荡电路中

30、，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

31、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电路可知，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，

32、（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、1MHz40.50 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电路，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fsffd极窄的范围内，石英晶体呈感性。 石英晶体

33、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、遥控器等各类振荡电路中，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电路的形式是多种多样的，但基本电路只有两类，即并联型和串联型石英晶体正弦波振荡电路，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电路中，往往要求正弦波振荡电路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电路、数字系统的时钟产生电路等。因此，有必要引用频率稳定度来作为衡量振荡电路的质量指标之一。频率稳定度一般用频率的相

34、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振荡电路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。由电路理论知道：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振荡电路，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电路。它的频率稳定度可高达10-9甚至10-11。 石英晶体振荡电路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

35、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电路是基于它的压电效应，可以用上图所示的等效电路来模拟。等效电路中的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10000500000的范围内。 等效电路中元件的典型参数为：Co很

36、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、等效电路和电抗特性。 图3.4 石英晶体的符号、等效电路和电抗特性由等效电路可知，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ffs时，L-C-R支路呈感性，与Co产生并联谐振。 （3.2）由于CoC，故fPfS.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电路：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电路的反馈网络，并

37、起选频作用，只要放大电路的相移也是0，则满足相位条件， 形成串联型石英晶体正弦波振荡电路。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电路，形成并联型石英晶体正弦波振荡电路如图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电路如图3.5所示电路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电路3.1.2 占空比调整电路占空比调整电路采用一个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电路实现占空比调整，将原来由石英晶体震荡电路产生的占空比随频率变化而变

38、化的时钟信号调整其占空比为50%。如下图所示： 图3.6 占空比调整电路3.1.3 编码电路 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 编码电路以上则构成了曼彻斯特编码电路模块。3.2 解码电路解码电路中，由于同步时钟信号已经有专门的模块电路恢复出来，因此直接利用，解码电路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，

39、保持前半时钟周期的曼彻斯特码电平值即可。因此解码电路中，理论上只需要一个D触发器即可以实现。解码电路比较简单。3.3 同步信号提取电路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

40、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

41、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

42、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

43、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。同步信号提取电路是整个电路中最关键也是最复杂的部分，它的成功与否直接影响整个电路的正常工作，任何一点同步信号提取电路的误差都可能导致最终的解码输出误码。同步时钟提取电路具体分为以下几个部分：整形电路微分电路全波整流电路窄带滤波电路锁相环电路及二分频结构图如下所示： 曼码输入 同步信号输出整形微分全波整流窄带滤波锁相环及分频 频图3.8 同步时钟提取电路原理图曼彻斯特码微分后波形全波整流后波形窄带滤波后波形 图3.9 同步时钟提取波形图3.3.1 利用电压比较器

44、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电路，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电路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)电路图 (b)传输特性图 3.10 电压比较器当uiUR时，运放输出高电平，

45、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uOUZ当uiUR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uoUD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。过零比较器电路如下图所示为加限幅电路的过零比较器，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Ui0时，输出UO-(UZ+UD)，当Ui0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 利用微分电路检出曼码跳变沿 微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波,此电路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