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基于VHDL的通信編碼波形的設計與仿真

發布時間:2012-1-13 13:22    發布者:1770309616
關鍵詞: VHDL , 波形 , 仿真 , 設計 , 通信編碼
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
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