Справочная информация по кодировке Manchester

Передача цифровых данных часто требует некоторой формы модуляции, чтобы преодолеть пределы в канале физического сигнала. Одним из методов, используемых для модуляции цифровых данных, является Manchester Encoding. Этот метод имеет следующие полезные характеристики:

С отрицательной стороны, кодирование Манчестер требует существенной полосы пропускания (выше предела Шеннона), что имеет тенденцию ограничивать его полезность в беспроводных приложениях. Однако для подключенных приложений, таких как оптическое волокно малой дальности и Ethernet, это часто является хорошим решением.

В следующих разделах обсуждаются:

Кодирование

Manchester Encoding включает передатчик, который кодирует синхроимпульсы и сигналы данных в синхронном битовом потоке, так что каждый бит представляет собой переход сигнала. В следующей таблице показано, как каждая битовая настройка определяется для кодирования:

Переходы в кодировке Манчестер происходят в центре и начале каждого бита. Переход в центре определяется битовым значением, в то время как переход в начале зависит от значения предыдущего бита. Рассмотрим следующую схему:

Как показывают предыдущие кодированные сигналы Манчестер:

Приемник

Устройство, которое принимает кодированный битовый поток, отвечает за декодирование битового потока путем разделения тактовой частоты и информации данных. В большинстве случаев приемник должен извлечь исходный поток данных, используя только закодированный сигнал. Это упрощает канал связи, но означает, что приемник должен преодолеть следующее:

В примере Приемник Манчестерского Кода проверяются расчеты, выполненные приемником манчестерского кода, которое моделируется в VHDL и моделируется в ModelSim ®. Доступны многочисленные подходы к реализации приемник манчестерского кода. Этот пример использует цикл блокировки задержки (DLL), который требует, чтобы приемник использовал часы, которые очень близки по частоте к синхроимпульсу передачи. Это приводит к простой схеме восстановления синхроимпульса, которая имеет ограниченную область значений частотной автоподстройки.

Приемник производит избыточную выборку принятого потока данных с 16-кратной скоростью передачи данных. Таким образом, часы приема должны иметь номинальный период 1/16 периода данных. Чтобы компенсировать незначительные различия между синхросигналами передачи и приема или дрейфами в задержке канала, приемник корректирует свой период данных до одного такта (+/-) на период данных. Таким образом, приемник может использовать 15, 16 или 17 тактовых циклов, чтобы восстановить данные, закодированные из входящего дискретизированного сигнала. Для примера, если часы приемника немного быстрее, то часы передатчика (частотная ошибка), цикл приема иногда должен добавить дополнительный тактовый цикл, чтобы компенсировать.

Большие внезапные фазовые ошибки, такие как те, которые происходят во время запуска, требуют нескольких периодов данных, чтобы получить хорошую блокировку сигнала. Ограничивая максимальную коррекцию фазы 1/16 общего периода данных, приемник может быть медленным, чтобы исправить большие ошибки фазы.

Декодирование с помощью Inphase и квадратурной свертки

Декодирование полученного сигнала Манчестер может происходить несколькими способами, но подход, принятый в этом примере, состоит в том, чтобы рассматривать Кодирование Манчестер как цифровую фазовую модуляцию с двумя символами: + 180 и -180 степени. Путем свертки входящего сигнала с ссылкой инфазной (I) и квадратурной (Q) формой волны на частоте модуляции можно извлечь данные и извлечь информацию о любых фазах ошибках в принятой форме волны. После одного цикла данных приемник вычисляет два значения (в коде VHDL называемые Isum и Qsum), которые являются измерениями значения свертки I/Q. Затем приемник декодирует значения, чтобы предсказать:

Критическим аспектом этого проекта является интерпретация значений свертки I/Q. В конце цикла приема данных приемник переводит значения I/Q в оценку передаваемых данных и фазы ошибки. Один из способов представить эту информацию - показать эти интерпретации как графики по сравнению с измеренными значениями I/Q.

Данные считаются недействительными, если измеренные I и Q полностью неоднозначны относительно значения закодированных данных.

Аналогичным образом можно сгенерировать отображение I/Q значения коррекции фазы в формате plot. Такой график дает визуальное представление блока декодирования. На практике детали этого отображения оказывают сильное влияние на стабильность и эффективность приемника манчестерского кода.

В идеальном случае, когда приемник полностью заблокирован на входящем сигнале, цикл приема составляет 16 циклов, и измеренные значения свертки I/Q довольно легко интерпретировать. Однако циклы данных, которые составляют 15 или 17 циклов в течение длительного времени, создают некоторое смещение в измерении свертки IQ. Возможно настроить измерение I/Q во время этих циклов, но это увеличило бы размер и сложность приемника. Вместо этого цикл сбора данных расширяется или сокращается без изменения декодирования полученных значений. Однако это смещение декодера может создать проблемы с диферингом или снижением помехоустойчивости.

VHDL- Реализации Приемника манчестерского кода

Особое внимание этого примера является VHDL- реализации Приемника манчестерского кода. Декодирование кодированного сигнала Манчестер представляет несколько проблем, наиболее заметной из которых является восстановление часов. Часы встроены в принятый сигнал и должны быть извлечены, чтобы воспроизвести исходный поток данных. Рисунок ниже показывает пример проекта, который разделен на три основных раздела кода VHDL:

Свертка IQ: Дискретизирует принятый сигнал и вычисляет свертку для форм входной (I) и квадратурной (Q) волны. Для каждой формы волны расчет реализуется как сумма операций XOR на выборке и декодированной форме волны, принятой от счетчика состояний.

Декодер: Моделирует комбинаторную схему, которая интерпретирует результаты свертки I/Q.

Счетчик состояний: Генерирует форму I/Q, которая свернута с принятыми сигналами, принимая во внимание фазы ошибки (лаги и выводы), по мере необходимости. Фаза генератора I/Q настраивается так, чтобы она совпадала с входящей кодированной формой волны Манчестер. Чтобы выполнить необходимую настройку, в начале нового цикла счетчик состояний проверяет значение корректировки, add, а затем изменяет период следующего цикла I/Q. Это значение регулировки ограничено добавлением или удалением одного тактового периода из 16 периодов, которые номинально используются для формы волны I/Q.

Следующая временная схема показывает синфазную форму волны, квадратурную форму волны и свернутые результаты без фазы ошибки, задержек данных и выводов данных.

MATLAB ® модели компонентов VHDL

Пример включает три функции MATLAB ®, которые тестируют модель VHDL. Функция MATLAB сопоставляется с каждым из трех компонентов VHDL:

Свертка I/Q: Проверяет, что код свертки I/Q VHDL вычисляет ожидаемый выход для случайным образом сгенерированного потока выборок. Функция MATLAB проверяет это, вычисляя свертку для инфазной и квадратурной формы волны (I_wf и Q_wf). Расчет реализован как XOR и накопление двоичных сигналов.

Декодер: Отображает график отображения I/Q, сгенерированного декодером для визуальной верификации.

Счетчик состояний: Генерирует инфазу и квадратурную форму волны. Во время тестирования, эта функция MATLAB имеет полное управление сигналами, приложенными во время симуляции, включая генерацию часов, сбросы и так далее.

Выполнение примера

Запуск сервера MATLAB

В примере запускается сервер MATLAB, hdldaemon, так что он использует коммуникацию сокетов TCP с номером порта сокета, идентифицированным как доступный операционной системой.

hdldaemon('socket',0)      % Activate MATLAB server to accept foreign VHDL calls

HDLDaemon socket server is running on port 4040 with 0 connections

Затем пример вызывает hdldaemon с опцией 'status', чтобы получить назначенный номер порта и сохранить его в portnum для будущей ссылки.

dstat = hdldaemon('status');
portnum = dstat.ipc_id;

HDLDaemon socket server is running on port 4040 with 0 connections

Серверная и клиентская части ссылки приложения должны использовать один и тот же номер порта. Таким образом, в какой-то момент пример нужно переслать портнум в ModelSim.

Проверка декодера

Первым компонентом модели Приемник Манчестерского Кода, который будет протестирован, является декодер. Скрипт создает 2 графика передаточной функции этой сущности. Этот тест является просто визуализацией поведения декодера. Пример скрипта:

1. Устанавливает флаг testisdone равный 0 и отображает информационные сообщения.

global testisdone;
testisdone = 0;

2. Устанавливает директорию проекта в директорию, который имеет доступ на запись и подходит для хранения проекта ModelSim.

projectdir = pwd;

3. Изменяет формат директории проекта и спецификаций VHDL-файлов декодера на формат UNIX ®, который используют ModelSim и Tcl, путем замены обратных косых черт (\) на косые черты (/).

unixprojectdir =  ['"' strrep(projectdir,'\','/')  '"'];
unixsrcfile = ['"' ...
    strrep(fullfile(matlabroot,'toolbox','edalink','extensions','modelsim',...
    'modelsimdemos','vhdl','manchester','decoder.vhd'),'\','/') ...
    '"'];

4. Задает последовательность команд Tcl, которые должны выполняться в контексте ModelSim.

tclcmd = { ['cd ' unixprojectdir ],...
            'vlib work',...
           ['vcom -performdefaultbinding ' unixsrcfile],...
            'vsimmatlab work.decoder',...
           ['matlabtb decoder -mfunc manchester_decoder -socket ',num2str(portnum)],...
            'run 3000',...
            'quit -f'};

Предыдущий список определяет каждую команду:

5. Запускает ModelSim для использования с HDL Verifier с вызовом vsim.

vsim('startupfile','decoder.do','tclstart',tclcmd);

Эта команда запускает ModelSim с помощью командного скрипта Tcl, который выполняет некоторые команды запуска общего назначения, а затем пользовательские команды, заданные свойством 'tclstart'. Свойство 'startfile' заставляет vsim записать скрипт Tcl команды запуска целиком, чтобы decoder.do для последующего использования или ссылки.

6. Отображает информационные сообщения и ожидает выполнения (manchester_decoder.m) до своего завершения.

disp('Waiting for testing of ''decoder.vhd'' to complete');
disp('(flag from manchester_decoder.m indicates completion)');
while testisdone == 0,
    pause(0.501);
end
disp('MATLAB test of decoder.vhd is complete!');
disp('Check the generated plot for results.');

Waiting for testing of 'decoder.vhd' to complete
(flag from manchester_decoder.m indicates completion)
done
MATLAB test of decoder.vhd is complete!
Check the generated plot for results.

Проверка I/Q Convolver

Аналогично для сверточника I/Q. Пример скрипта:

1. Устанавливает флаг testisdone равный 0 и отображает информационные сообщения.

testisdone = 0;

2. Устанавливает директорию проекта в директорию, который имеет доступ на запись и подходит для хранения проекта ModelSim.

projectdir = pwd;

3. Изменяет формат спецификаций директории проекта и декодера VHDL файла на формат UNIX, который используют ModelSim и Tcl, путем замены обратных косых черт (\) на косые черты (/).

unixprojectdir =  ['"' strrep(projectdir,'\','/')  '"'];
unixsrcfile = ['"' ...
    strrep(fullfile(matlabroot,'toolbox','edalink','extensions','modelsim',...
    'modelsimdemos','vhdl','manchester','iqconv.vhd'),'\','/') ...
    '"'];

4. Задает последовательность команд Tcl, которые должны выполняться в контексте ModelSim.

tclcmd = { ['cd ' unixprojectdir ],...
            'vlib work',...
           ['vcom -performdefaultbinding ' unixsrcfile],...
            'vsimmatlab work.iqconv',...
            'force /iqconv/clk 1 0, 0 5 ns -repeat 10 ns ',...
            'force /iqconv/enable 1',...
            'force /iqconv/reset 1',...
            'run 100',...
           ['matlabtb iqconv -rising /iqconv/clk -mfunc manchester_iqconv -socket ',num2str(portnum)],...
            'run 1000',...
            'quit -f'};

Следующий список определяет каждую команду:

5. Запускает ModelSim для использования с HDL Verifier с вызовом vsim.

vsim('startupfile','iqconv.do','tclstart',tclcmd);

Эта команда запускает ModelSim с помощью командного скрипта Tcl, который выполняет некоторые команды запуска общего назначения, а затем пользовательские команды, заданные свойством 'tclstart'. Свойство 'startfile' заставляет vsim записать скрипт Tcl команды запуска целиком, чтобы iqconv.do для последующего использования или ссылки.

6. Отображает информационные сообщения и ожидает выполнения (manchester_iqconv.m) до своего завершения.

disp('Waiting for testing of ''iqconv.vhd'' to complete');
disp('(flag from manchester_iqconv.m indicates completion)');
while testisdone == 0,
    pause(0.501);
end
disp('Test of iqconv.vhd complete (If it failed, there would be an error message printed above)!');

Waiting for testing of 'iqconv.vhd' to complete
(flag from manchester_iqconv.m indicates completion)
Test of iqconv.vhd complete (If it failed, there would be an error message printed above)!

Проверка счетчика состояний

Теперь тестируем Государственный счетчик (statecnt.vhd). Скрипт создаст выходы checks isum и qsum для случайным образом сгенерированного потока выборок данных и установит флаг testisdone равным 0 и отобразит информационные сообщения.

testisdone = 0;
projectdir = pwd;
unixprojectdir =  ['"' strrep(projectdir,'\','/')  '"'];
unixsrcfile = ['"' ...
    strrep(fullfile(matlabroot,'toolbox','edalink','extensions','modelsim','modelsimdemos',...
    'vhdl','manchester','statecnt.vhd'),'\','/') ...
    '"'];

tclcmd = { ['cd ' unixprojectdir ],...
            'vlib work',...
           ['vcom -performdefaultbinding ' unixsrcfile],...
           'vsimmatlab -t 1ns work.statecnt ',...
            'force /statecnt/clk 1 0, 0 5 ns -repeat 10 ns ',...
           ['matlabtb statecnt -mfunc manchester_statecnt -socket ',num2str(portnum)],...
            'run 30000',...
            'quit -f'};

Следующий список определяет каждую команду TCL в tclcmd:

vsim('startupfile','statecnt.do','tclstart',tclcmd);

disp('Waiting for testing of ''statecnt.vhd'' to complete');
disp('(flag from manchester_statecnt.m indicates completion)');
while testisdone == 0,
    pause(0.501);
end
disp('MATLAB test of statecnt.vhd is complete!');
disp('Check the generated plot for results.');

Waiting for testing of 'statecnt.vhd' to complete
(flag from manchester_statecnt.m indicates completion)
MATLAB test of statecnt.vhd is complete!
Check the generated plot for results.

Убить hdldaemon

hdldaemon('KILL');

HDLDaemon server was shutdown

Проверка statecnt.vhd завершена (Анализ полученного графика). На этом завершается Manchester руководства пример.