顧涵　丁力　瞿佳韻

【摘 要】基于FPGA芯片采用類曼徹斯特組碼方式，設(shè)計(jì)和仿真了串行數(shù)據(jù)傳輸過程中譯碼接收模塊的功能。首先對(duì)譯碼接收模塊的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，其次結(jié)合LVDS硬件電路和芯片端口重點(diǎn)分析和編寫了各模塊的VHDL程序，最后采用Isim對(duì)設(shè)計(jì)功能進(jìn)行波形仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】類曼徹斯特；VHDL；設(shè)計(jì)

0 引言

類曼徹斯特碼[1]是一種利用自同步法保持位同步的線路碼型，在傳輸數(shù)字信息的同時(shí)，也將同步時(shí)鐘信號(hào)一起傳輸?shù)綄?duì)方，它用上升沿來表示一個(gè)碼元的開始，然后連續(xù)兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的高電平表示“1”，對(duì)應(yīng)編碼數(shù)據(jù)“0100”，反之連續(xù)兩個(gè)時(shí)鐘的低電平表示“0”，對(duì)應(yīng)編碼數(shù)據(jù)“0111”。經(jīng)類曼徹斯特編碼后，無論是數(shù)據(jù)“1”還是數(shù)據(jù)“0”，在開始的時(shí)候都有一個(gè)上升沿，包含了時(shí)鐘信息，正是具有這一特點(diǎn)，在現(xiàn)代通信中得到了廣泛的應(yīng)用。我們采用類曼徹斯特碼，設(shè)計(jì)和仿真了串行數(shù)據(jù)傳輸過程中譯碼接收模塊的功能。

1 LVDS技術(shù)介紹

LVDS[2]是一種低擺幅的差分信號(hào)技術(shù)，具有終端適配簡潔方便、低功耗、低成本、高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，并且能對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)效保護(hù)，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴VDS使得信號(hào)能夠在差分平衡電纜上以幾百M(fèi)bps[3]的速率傳輸，其低壓幅和低電流的驅(qū)動(dòng)輸出完全達(dá)到了低噪聲和低功耗的要求。采用LVDS技術(shù)設(shè)計(jì)的接收器引進(jìn)恒流式驅(qū)動(dòng)方式，準(zhǔn)許帶電插入，對(duì)系統(tǒng)不會(huì)造成任何損壞，適用于高速數(shù)據(jù)的傳輸。

差分信號(hào)的抗噪特性在理想狀態(tài)[4]下，所謂理想狀態(tài)是指線路沒有干擾時(shí)，發(fā)送端IN= IN+-IN-，接收端IN+-IN-=OUT，發(fā)送端信號(hào)等于接收端信號(hào)。在非理想狀態(tài)下，非理想狀態(tài)是指線路有干擾時(shí)，發(fā)送端IN=IN+-IN-，接收端（IN++q）-（IN-+q）= IN+-IN-=OUT，噪聲在輸出端被抑制掉，所以輸入端信號(hào)依舊等于輸出端信號(hào)。從兩種狀態(tài)的分析可知差分方式可以很好的抑制噪聲，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤的傳輸。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖1 LVDS譯碼接收電路

硬件設(shè)計(jì)采用LVDS差分電路，LVDS譯碼接收電路如圖1所示，電路中臨近接收器端并接了兩個(gè)51Ω的電阻，電阻間對(duì)地接了10pF的電容，能夠起到消除共模干擾的作用。在傳輸過程中使用雙絞屏蔽電纜，該電纜具有良好的傳輸特性，主要參數(shù)為時(shí)間延時(shí)4.3ns/m（max） [5]，2芯時(shí)延差0.1ns/m（max），特性阻抗（94～106）Ω，衰減32db/100m（80Mhz）。采用這種方式設(shè)計(jì)電路一方面能夠提高系統(tǒng)的抗干擾性，另一方面能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

3 軟件設(shè)計(jì)

譯碼接收過程可分為三步進(jìn)行：第一步，檢測接收的數(shù)據(jù)是否為有效數(shù)據(jù)，若不是則重新開始新的十七位數(shù)據(jù)譯碼；第二步，對(duì)十七位數(shù)據(jù)進(jìn)行類曼徹斯特譯碼；第三步，將生成的校驗(yàn)位（對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行偶校驗(yàn)的結(jié)果）與編碼時(shí)生成的校驗(yàn)位進(jìn)行比較，若相等則將譯碼后的十六位數(shù)據(jù)發(fā)送出去。具體VHDL程序可以分為數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)有效性判斷和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及校驗(yàn)四大模塊，其中最后一個(gè)模塊和編碼程序類似，本文就不再闡述。

3.1 數(shù)據(jù)定義模塊

數(shù)據(jù)及輸入輸出端口定義模塊程序?yàn)椋?/p>

module Manchester_Decoder（clk，rst，sdi，in_data） ；

input clk，rst；input sdi；

output [15：0] in_data；

3.2 數(shù)據(jù)緩存模塊

數(shù)據(jù)緩存模塊中數(shù)據(jù)傳輸采用逐位傳遞方式，具體程序?yàn)椋?/p>

reg [4：0] sdi_delay；always @（posedge clk）

begin

sdi_delay[4：1]<=sdi_delay[3：0]；//空出最后一位待放新接收的數(shù)據(jù)

sdi_delay[0]<=sdi；//將接收到的數(shù)據(jù)放入緩存

end

3.3 數(shù)據(jù)有效性判斷模塊

在對(duì)數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行判斷時(shí)要分別對(duì)連續(xù)“1”和連續(xù)“0”的個(gè)數(shù)進(jìn)行判斷，具體程序?yàn)椋?/p>

reg [7：0] hign_count，low_count；

always @（posedge clk or posedge sdi_delay[0]）

begin

if（sdi_delay[0]==1'b1）

begin

hign_count<=hign_count+1；//判斷接收數(shù)據(jù)中連續(xù)1的個(gè)數(shù)

low_count<=8'd0；

end

else

begin

hign_count<=8'd0；

low_count<=low_count+1； //判斷接收數(shù)據(jù)中連續(xù)0的個(gè)數(shù)

end

end

4 測試和仿真

若接收到的數(shù)據(jù)為0100-0100-0100-0100-0100-0100-0100-0100-0100-0100-0100-0100-01 11-0111-0111-0111-0111，則經(jīng)過譯碼后的數(shù)據(jù)應(yīng)為0x001F。采用ISim進(jìn)行波形仿真，驗(yàn)證譯碼模塊功能的準(zhǔn)確性，ISim測試代碼為：

initial begin

clk = 0；rst = 0；

bufd=72'b0100_0100_0100_0100_0100_0100_0100_0100_0100_0100_0100_0100_0111_0111_0111_0111_0111；#100 rst=1；

end（下轉(zhuǎn)第187頁）

always #5 clk=～clk；always@（posedge clk） bufd<=bufd>>1；assign sdi=bufd[0]；

從圖2中我們可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完成后，譯碼輸出數(shù)據(jù)為0x001F，和預(yù)期設(shè)計(jì)功能相符。

【參考文獻(xiàn)】

[1]江曉林，等.通信原理[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[2]劉江海.EDA技術(shù)[M].華中科技大學(xué)出版社，2009.

[3]王曉聰.基于FPGA的HDB3碼編碼器優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011.

[4]楊少春.類曼徹斯特編解碼器設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].器件與電路，2012.

[5]樊昌信.現(xiàn)代通信原理[M].人民郵電出版社，2011.

[責(zé)任編輯：劉帥]