0 引言
曼徹斯特碼是一種總線(xiàn)數據傳輸雙極性碼。在數字信號基帶傳輸中，通過(guò)這種信道編碼技術(shù)可使傳送數據同時(shí)攜帶時(shí)鐘信息，故也稱(chēng)其為自同步曼徹斯特碼。在信道傳輸中曼徹斯特碼有很好的抗干擾能力。接收端可以將分離出的時(shí)鐘用于解碼，從而簡(jiǎn)化了解碼過(guò)程。
針對曼徹斯特碼特點(diǎn)，可采用位同步方法提取時(shí)鐘，常采用濾波法和數字鎖相環(huán)法。濾波法采用的窄帶濾波器不適合數字電路使用。數字鎖相環(huán)法通過(guò)比較接收碼元和本地碼元為定時(shí)時(shí)鐘的相位來(lái)添加扣除時(shí)鐘脈沖，以達到調整相位的目的，但電路實(shí)現過(guò)于復雜。本文提出的時(shí)鐘分離電路比數字鎖相環(huán)簡(jiǎn)單，而且提取出來(lái)的時(shí)鐘可以準確地采樣到曼徹斯特碼信號。
1 曼徹斯特碼
曼徹斯特碼是一種廣泛用于以太網(wǎng)、短距離無(wú)線(xiàn)通信、航空電子綜合系統中總線(xiàn)數據傳輸的雙極性碼。它的每個(gè)碼元中點(diǎn)都存在一個(gè)電平跳變，1信號為一個(gè)從1到0的負跳變；0信號為一個(gè)從0到1的正跳變。由于曼徹斯特碼在頻譜中存在很強的定式分量，解碼時(shí)可將分離出的時(shí)鐘用來(lái)解碼。另一方面，1553B傳輸電纜呈容性負載特性，所以在信號傳輸中，直流和低頻分量將受到很大的衰減。曼徹斯特碼頻譜中不存在直流分量，而且低頻分量也大大減小，很適合在1553B電纜中傳輸。
MIL-STD-1553B協(xié)議中采用的曼徹斯特碼數據格式如圖1所示。
同步頭：占三位碼元長(cháng)度。命令字或狀態(tài)字同步頭的前1．5倍碼元長(cháng)度為高電平；后1．5倍碼元長(cháng)度為低電平，數據字同步頭剛好相反。同步頭用于區分字的類(lèi)型以及標識字傳輸開(kāi)始。
數據：16位數據位。圖中bit3為數據最高位，依次遞減，bit18為數據最低位。
奇偶校驗位：這里采用奇校驗。將16位數據按位同或的結果作為奇校驗位。
2 曼徹斯特編碼器的設計
由于曼徹斯特碼的每個(gè)碼元在其中心存在電平跳變，所以編碼器的發(fā)送時(shí)鐘頻率至少應選擇信息傳輸速率的2倍頻。
通常編碼器的實(shí)現方式有2種，基于移位寄存器，或者數據選擇器。移位寄存器型編碼器需要在編碼開(kāi)始后將同步頭位、數據位、奇偶校驗位通過(guò)字符格式編排器編排成一個(gè)并行數據，然后在發(fā)送時(shí)鐘的控制下串行移位輸出；數據選擇器型編碼器需要在編碼開(kāi)始后啟動(dòng)一個(gè)計數器，在計數器的控制下分別送出同步頭、數據位、奇偶效驗位。本文的編碼器采用后者，其結構框圖如圖2所示。
2．1 編碼過(guò)程
編碼過(guò)程如下：
(1)檢測編碼周期是否開(kāi)始，編碼周期開(kāi)始后將同步頭類(lèi)型、16位并行數據存儲到內部寄存器中，與此同時(shí)計數器cnt開(kāi)始計數。
(2)在計數器cnt的控制下通過(guò)碼型生成器發(fā)出同步頭、數據位、奇偶校驗位。
(3)在當前字的曼徹斯特碼發(fā)送完成后回到過(guò)程(1)等待發(fā)送下一個(gè)字
2．2 端口說(shuō)明
rst_n為異步復位信號；clk為系統時(shí)鐘，頻率為信息傳輸速率的12倍；enc_trigger(輸入，高有效)的編碼開(kāi)始的觸發(fā)信號；enc_csw(輸
入，高有效)表示要發(fā)送的字為命令字或狀態(tài)字；enc_dw(輸入，高有效)表示要發(fā)送的字為數據字；enc_data(輸入)表示16位要發(fā)送的并行數據；tx_data_p(輸出)表示發(fā)出的曼徹斯特原碼；tx_data_n(輸出)表示發(fā)出的曼徹斯特反碼。
2．3 子模塊說(shuō)明
(1)6分頻電路
將系統時(shí)鐘6分頻輸出占空比為1／6的編碼時(shí)鐘使能信號enc_clk_en，該信號的頻率為信息傳輸速率的2倍，其他3個(gè)模塊只有在采樣到該信號高電平后才會(huì )觸發(fā)。在復雜時(shí)序電路設計中通過(guò)引入時(shí)鐘使能信號可減少設計中的時(shí)鐘信號，提高電路的可靠性。
(2)保持寄存器
在enc_clk_en有效且采樣到enc_trigger為1時(shí)，將enc_csw，enc_dw，enc_data存入內部寄存器csw_reg，dw_reg，data_reg中。
(3)計數器
在enc_clk_en有效時(shí)采樣到enc_trigger為1時(shí)，將計數使能信號置為1，并在其控制下開(kāi)始計數，計數范圍為0～39。
(4)碼型生成器
碼型生成器通過(guò)對16位并行數據data_reg做同或運算產(chǎn)生奇偶校驗結果。在計數器cnt的控制下發(fā)送出曼徹斯特碼。發(fā)送過(guò)程如下(以tx_data_p說(shuō)明)：
cnt(0～5)：根據同步頭類(lèi)型，依次發(fā)送111000(csw_reg有效)或000111(dw_reg有效)。
cnt(6～37)：發(fā)送數據位，在碼元前半個(gè)周期發(fā)送原碼，后半個(gè)周期發(fā)出反碼。
cnt(38～39)：發(fā)送奇偶校驗位，計數到38時(shí)，發(fā)送奇偶校驗位原碼，39時(shí)發(fā)送其反碼。
3 曼徹斯特解碼器的設計
解碼器需要將收到的曼徹斯特碼解碼，得出16位并行數據，并給出各種校驗結果。本文設計的解碼器邏輯結構如圖3所示。
3．1 解碼過(guò)程
(1)同步頭檢測，當檢測到同步頭后觸發(fā)整個(gè)解碼過(guò)程開(kāi)始，并給出同步頭類(lèi)型。
(2)檢測到同步頭后，計數器cnt開(kāi)始計數，在cnt的控制下進(jìn)行解碼。包括碼型轉換與移位操作，同步頭類(lèi)型輸出、曼徹斯特碼型校驗、奇偶校驗、字連續性校驗等。
(3)當碼的串并轉換以及各種校驗都完成后，給出并行數據和校驗結果信號，在cnt的控制下最終給出數據有效信號data_ready。協(xié)議模塊可在該信號有效(高電平)時(shí)檢測其他校驗信號，并決定是否取走并行數據。
3．2 端口說(shuō)明
rst_n為異步復位信號；clk為系統時(shí)鐘，頻率是信息傳輸速率的12倍；rx_data(輸入)為收到的曼徹斯特原碼；data_ready(輸出，高有效)為數據有效信號，該信號有效期間可檢測其他校驗輸出信號，若數據有效可取走16位并行數據；csw(輸出，高有效)為收到字類(lèi)型為命令字或狀態(tài)字；dw(輸出，高有效)表示收到字類(lèi)型為數據字；data(輸出)表示解碼輸出的16位并行數據；parity_right(輸出，高有效)為奇偶校驗結果；manchester_right(輸出，高有效)為曼徹斯特碼型校驗結果；word_continue(輸出，高有效)為字連續性校驗結果，有效時(shí)表示當前收到的字與上一次收到字之間是連續的。
3．3 子模塊說(shuō)明
(1)時(shí)鐘分離模塊
時(shí)鐘分離模塊如圖4所示。
該模塊將曼徹斯特碼自帶的時(shí)鐘信號分離，得到clk2_en，并在該信號有效(高電平)時(shí)采樣，經(jīng)過(guò)三級寄存器保持輸出的曼徹斯特碼信號rx_data_reg_2。采樣時(shí)刻總出現在每個(gè)碼元正負電平的中點(diǎn)處，而這也是曼徹斯特碼采樣的最佳時(shí)刻，如圖5所示。
時(shí)鐘分離電路結構如圖4所示，收到的曼徹斯特碼rx_data為異步信號，通過(guò)DFF1，DFF2，DFF3三級采樣保持電路可消除亞穩態(tài)。edge_ check在每個(gè)曼碼電平跳變后產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該信號將對cnt_clk2和clk2_en同步清零，以達到調整相位的目的。cnt_clk2是一個(gè)6進(jìn)制計數器，當計數到1時(shí)通過(guò)比較器給出同步置位脈沖set，它將對clk2_en同步置1。
(2)同步頭識別模塊
該模塊始終檢測同步頭，并給出同步頭類(lèi)型。檢測方法如下，在采樣到時(shí)鐘使能信號clk2_en有效時(shí)，將rx_data_reg_2存入移位寄存器sync_reg[9：0]中，當檢測到sync_reg[5：0]為“111000”或“000111”時(shí)，給出同步頭有效信號sync_1，用于觸發(fā)計數器和碼型轉換移位模塊工作。
(3)計數模塊
計數器cnt是一個(gè)40進(jìn)制計數器，在cnt的控制下完成整個(gè)解碼過(guò)程。當收到同步頭有效信號sync_1時(shí)，將計數器使能信號cnt_enb置為有效(高電平)，并在其控制下開(kāi)始計數。
(4)碼型轉換與移位電路
該模塊在移位使能信號data_sample有效，且采樣到采樣使能信號clk2_en時(shí)，將rx_data_reg_2移入一個(gè)17位寄存器data_reg[16：O]中，移位完成后，將得到一個(gè)16位并行數據data_reg[16：1]和一個(gè)奇偶校驗位data_reg[0]。
(5)校驗模塊
該電路將檢測并輸出同步頭類(lèi)型、奇偶校驗結果、曼徹斯特碼檢測結果、字連續性檢測結果。
同步頭類(lèi)型檢測：當cnt計數到3時(shí)，將同步頭檢測結果sync_csw和syn_dw分別寄存輸出給csw和dw。
奇偶校驗：將17位并行數據data_reg[16：O]按位同或后在cnt計數到33時(shí)將效驗結果輸出給parity_right。
曼徹斯特碼型的有效性校驗：對16位曼徹斯特碼和1位奇偶校驗碼的碼型進(jìn)行檢測。當收到同步頭有效信號sync_1時(shí)將mangchester_rig-ht信號置為1，之后將每個(gè)碼元曼徹斯特檢測結果與mangchester_right做與運算，再寄存輸出到mangchester_right。當中間某個(gè)碼元曼徹斯特碼出錯時(shí)，mangchester_right將變?yōu)?，并在之后的檢測中一直保持為0，直到收到下一個(gè)字的sync_1信號。
字連續性檢測：若前一個(gè)字與當前字連續，則在前一個(gè)字cnt計數到39時(shí)，當前字的同步頭有效信號sync_1應為高電平，若不連續，sync _1為低電平。所以在cnt=39時(shí)將sync_1寄存輸出給word_continue可表征字的連續性。
(6)數據有效輸出模塊
當所有校驗和移位都完成時(shí)，在cnt為34～38之間輸出數據有效信號data_ready。
4 仿真及FPGA實(shí)現
在TESTBENCH中將編碼器曼徹斯特碼的輸出直接連到解碼器曼徹斯特碼的輸入端。圖6為正確曼徹斯特碼的時(shí)序仿真波形圖，傳輸速率為10 Mb／s，系統時(shí)鐘為120 MHz。圖6的上半部分為編碼器信號波形，下半部分為解碼器信號波形。發(fā)送消息為連續的4個(gè)字：第1個(gè)為命令字，后3個(gè)為數據字。
為了全面驗證設計功能，需要注入不同類(lèi)型的錯誤來(lái)檢測解碼器的查錯能力。其中，包括同步頭類(lèi)型錯，曼徹斯特碼型錯，奇偶校驗錯，字不連續錯等。測試過(guò)程完全按照GJB5186相關(guān)要求進(jìn)行。
該設計在XlLINX公司Spartan3E系列的XC3S500E型號FPGA上進(jìn)行了實(shí)現。當編解碼器時(shí)鐘約束為7 ns時(shí)，編碼器最高跑到143 MHz，解碼器最高到157 MHz。
5 結語(yǔ)
根據曼徹斯特碼型特點(diǎn)，設計出一種符合MIL-STD-1553B協(xié)議的曼徹斯特編解碼器，并兼容1 Mb／s和10 Mb／s兩種傳輸速率的協(xié)議。該設計通過(guò)了GJB5186規定的測試點(diǎn)驗證，實(shí)驗結果證明所設計的曼徹斯特編解碼器具有高速、高可靠性的特點(diǎn)。
聯(lián)系客服
