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Man Chester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Man Chester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。 可見在一個時間段內(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。Ma nchester編碼采用電平由高到低變化的下降

2、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)。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(rèn)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。每一個二進(jìn)制數(shù)10011比特單元1111時鐘二進(jìn)制碼J1ManchesterJnnnR.圖1二進(jìn)制碼和曼徹斯特碼對比圖比特都準(zhǔn)確的在一預(yù)先定義時間時期的時間中被

3、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) 荷并且只有更少的同步信號相位模糊。二進(jìn)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(fù)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(jìn)制信息 （0或 1

4、）， 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(zhǔn)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

5、" 。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(jìn)制序列進(jìn)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

6、略微不同格式 ,比起直接用二進(jìn)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VHD語言對程序進(jìn)行

7、編寫和仿真，對軟件實現(xiàn)的情況下， 將程序下載到FPG平臺進(jìn)行硬件實現(xiàn)。曼徹斯特編碼的缺點在于為每一比特進(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

8、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兀數(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(jìn)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。

9、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)， 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(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(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

10、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 lOBaseT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

11、特編碼擴(kuò)展到數(shù)百兆赫。衰減損耗和EMC可題使這種方法無法 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 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(jìn)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

12、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?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?dāng)?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Man Chester編譯碼器HD-15530把測井 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Man Chester碼及把Man Chester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

13、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

14、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?shù)綄Ψ剑?每位編碼中有一跳變， 不存在直流分量，

15、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(fù)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(jìn)。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)