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引言 信號傳輸一般可分為兩大部分：編碼與解碼。其中編碼要求根據所傳輸信號特點選擇合適的編碼方式。由于不同的信號在不同的環境中進行傳輸，受到的干擾是不同的，而選擇合適的編碼方法可以最大限度的避免干擾，使通信更加順暢、更加準確。 要實現不同的編碼方式關鍵是要找到合適的算法，并且要求算法必須簡潔亦兼容。筆者在這里主要采用了對比、聯合和模塊化的設計方法，使每一種編碼成為一個獨立模塊，但又共用同一個或多個時鐘。由此，大大節約了程序的存儲空間，減少了程序的調試時間。 文章將用VHDL設計八種常用的編碼方式，并運用ALTERA公司的QUARTUSII設計軟件進行仿真調試。QUARTUSII設計軟件是一款開放、與結構無關、多平臺、完全集成化、豐富的設計庫、模塊化工具、支持各種HDL、有多種高級編程語言接口的非常先進的EDA工具軟件。另外，超高速硬件描述語言VHDL具有強大的語言結構、多層次的描述功能、良好的移植性和快速的ASIC轉換能力，支持硬件的設計、綜合、驗證和測試。因此，應用VHDL設計通信編碼波形具有重要意義。 總體方案設計 方案總體設計如圖1所示。首先，在運用VHDL編寫程序時必須遵照系統規則，按照系統庫函數調用，否則編譯將會產生問題。其次，考慮到分模塊編程，而每一種編碼方式的編程會用到不同頻率的時鐘，因此要將系統時鐘二分頻、四分頻和八分頻，以備需要。然后就是要設計選擇模塊，方便對八種編碼的自由選擇。再進行 各個編碼模塊的VHDL編碼，進而可以逐個編譯仿真。最后，當每一個模塊編譯仿真通過后，就是要將每一個獨立模塊程序整合在一起，形成總的編碼程序，并且調試總程序。 
圖1 總體設計流程圖 單元模塊設計及調試 分頻模塊 工作原理 所謂分頻，就是將一個給定頻率較高的數字輸入信號，經過適當的處理后，產生一個或數個頻率較低的數字輸出信號。分頻本質上是加法器的變化，其計數值由分頻常數N=fin/fout（fin是輸入頻率，fout是輸出頻率）決定，其輸出不是一般計數器計數結果，而是根據分頻常數對輸出信號的高、低電平進行控制。 軟件設計 下面設計一個對輸入時鐘信號進行2分頻、4分頻和8分頻的分頻程序。根據實際需要還可以設計分頻系數為2N的分頻器，只需要實現一個模N的計數器，再把模N的計數器的最高位直接付給分頻器的輸出信號，即可得到所需要的分頻信號。 分頻系數是2的整數次冪的偶數分頻器模塊圖如圖2所示。
圖2 2、4、8分頻器的RTL模塊圖 此程序中rst為低電平有效，若實現2分頻電路則輸出最高有效位count(0)，4分頻電路輸出最高有效位count(1)，依次類推，8分頻輸出最高有效位count(2)。 在MAX-plusII環境中編譯仿真波形如圖3所示。
圖3 2、4、8分頻波形 選擇模塊 工作原理 此模塊是用于選擇信號的，作用就是當輸入多路信號時，只選取其中一路輸出，其選擇依據是根據其地址線的信號，地址線有N條，就能制作2N選一選擇器。 軟件設計 根據選擇模塊的工作原理，應用VHDL編寫的選擇器模塊圖如圖4所示。
圖4 選擇器的模塊圖 選擇器程序在QUARTUSII環境中編譯仿真波形如圖5所示。
圖5 選擇器波形 功能模塊 NRZ-L（不歸零碼） NRZ-L(平)碼無論是“1”還是“0”時，相鄰碼元電平極性均不改變，即在4分頻的時鐘clk上升沿隨輸入信號din變化而輸出信號encoder-out。 具體VHDL模塊圖如圖6所示。
圖6 NRZ-L(平)的模塊圖 程序在QUARTUSII環境中編譯仿真波形如圖7所示。
圖7 NRZ-L碼波形 NRZ-M(信號差分碼) NRZ-M信號差分碼，當為“1”時相鄰碼元電平極性改變，“0”時相鄰碼元電極性不改變，即在時鐘clk為4分頻的上升沿遇輸入信號datain “1”而跳變，“0”保持輸出信號encoder-out。 具體VHDL模塊圖如圖8所示。
圖8 NRZ-M（信號差分碼）的模塊圖 程序在QUARTUSII環境中編譯仿真波形如圖9所示。
圖9 NRZ-M碼波形 NRZ-S（空格差分碼） NRZ-S（空格差分碼），當為“0”時相鄰碼元電平極性改變，“1”時相鄰碼元電極性不改變，即與NRZ-M(信號差分碼)恰好相反，clk為4分頻。 具體VHDL模塊圖如圖10所示。
圖10 NRZ-S（空格差分碼）的模塊圖 程序在QUARTUSII環境中編譯仿真波形如圖11所示。
圖11 NRZ-S碼波形 RZ(單極性歸零碼) 在歸零碼RZ中，碼元中間的信號回歸到0電平，因此任意兩個碼元之間被0電平隔開。當為“1”時為“0”，當為“0”時則為“0”，即輸入datain信號中間隔開，時鐘clk是2分頻，在上升沿遇“1”跳變，其它為“0”，輸出信號encoder-out。 具體VHDL模塊圖如圖12所示。
圖12 RZ（單極性歸零碼）的模塊圖 程序在QUARTUSII環境中編譯仿真波形如圖13所示。
圖13 RZ碼波形 積分曼徹斯特碼 曼徹斯特編碼是一種雙相碼。除了中間發生跳變外，當為“0”時相鄰碼元電平極性改變，“1”時相鄰碼元電極性不改變，由于要將輸入datain信號中間跳變，故需兩個時鐘clk1、clk2，且clk1是4分頻，clk2是2分頻，都在兩時鐘上升沿遇“0”跳變，遇“1”保持，輸出信號encoder-out。 其具體VHDL模塊圖如圖14所示。
圖14 積分曼徹斯特碼的模塊圖 程序在QUARTUSII環境中編譯仿真波形如圖15所示。
圖15 積分曼徹斯特碼波形 雙相-M碼 雙相-M碼：除了相鄰碼元電平極性發生跳變外，當為“1”時中間發生跳變，當為“0”時中間不發生跳變，即時鐘clk1為4分頻，輸入信號datain相鄰碼元極性跳變，遇“1”時在時鐘clk1的上升、下降沿跳變，輸出信號encoder-out。 具體VHDL模塊圖如圖16所示。
圖16 雙相-M碼的模塊圖 程序在QUARTUSII環境中編譯仿真波形如圖17所示。
圖17 雙相-M碼波形 雙相-L碼 雙相-L碼，除了中間發生跳變外，當為“1”時相鄰碼元電平極性改變，“0”時相鄰碼元電極性不改變，即需要2分頻時鐘clk1，datain信號中間遇時鐘clk1上升沿跳變外，且遇“1”相鄰碼元極性改變，“0”時不變，輸出信號encoder-out。 具體VHDL模塊圖如圖18所示。
圖18 雙相-L 程序在QUARTUSII環境中編譯仿真波形如圖19所示。
圖19 雙相-L碼波形 雙相-S碼 雙相-S碼，除了相鄰碼元電平極性發生跳變外，當為“0”時中間發生跳變，當為“1”時中間不發生跳變，即與雙相-L碼相反，clk1為4分頻。 具體VHDL模塊圖如圖20所示。
圖20 雙相-S碼的模塊圖碼的模塊圖 程序在QUARTUSII環境中編譯仿真波形如圖21所示。
圖21 雙相-S碼波形 整體程序調試 整體程序在MAX-plusII環境中的編譯仿真波形如圖22所示。
圖22 八種編碼波形 總結 1） 運用VHDL編寫以上八種編碼是可行的。 2） 經過觀察各模塊的仿真波形，符合各個編碼的特性。 3） 通過整體程序的調試仿真，并在FPGA上實現了波形的鍵選。 Author:何曉靚，李宏，景宇富 |
