引言
信號(hào)傳輸一般可分為兩大部分：編碼與解碼,。其中編碼要求根據(jù)所傳輸信號(hào)特點(diǎn)選擇合適的編碼方式。由于不同的信號(hào)在不同的環(huán)境中進(jìn)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(zhǔn)確,。
要實(shí)現(xiàn)不同的編碼方式關(guān)鍵是要找到合適的算法，并且要求算法必須簡(jiǎn)潔亦兼容,。筆者在這里主要采用了對(duì)比,、聯(lián)合和模塊化的設(shè)計(jì)方法，使每一種編碼成為一個(gè)獨(dú)立模塊,，但又共用同一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘,。由此，大大節(jié)約了程序的存儲(chǔ)空間,，減少了程序的調(diào)試時(shí)間,。
文章將用VHDL設(shè)計(jì)八種常用的編碼方式，并運(yùn)用ALTERA公司的QUARTUSII設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行仿真調(diào)試,。QUARTUSII設(shè)計(jì)軟件是一款開(kāi)放,、與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)、多平臺(tái),、完全集成化,、豐富的設(shè)計(jì)庫(kù)、模塊化工具,、支持各種HDL,、有多種高級(jí)編程語(yǔ)言接口的非常先進(jìn)的EDA工具軟件。另外,，超高速硬件描述語(yǔ)言VHDL具有強(qiáng)大的語(yǔ)言結(jié)構(gòu),、多層次的描述功能,、良好的移植性和快速的ASIC轉(zhuǎn)換能力，支持硬件的設(shè)計(jì),、綜合,、驗(yàn)證和測(cè)試。因此,，應(yīng)用VHDL設(shè)計(jì)通信編碼波形具有重要意義,。
總體方案設(shè)計(jì)
方案總體設(shè)計(jì)如圖1所示。首先,，在運(yùn)用VHDL編寫(xiě)程序時(shí)必須遵照系統(tǒng)規(guī)則,，按照系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)調(diào)用，否則編譯將會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題,。其次,，考慮到分模塊編程，而每一種編碼方式的編程會(huì)用到不同頻率的時(shí)鐘,，因此要將系統(tǒng)時(shí)鐘二分頻,、四分頻和八分頻，以備需要,。然后就是要設(shè)計(jì)選擇模塊,，方便對(duì)八種編碼的自由選擇。再進(jìn)行 各個(gè)編碼模塊的VHDL編碼,，進(jìn)而可以逐個(gè)編譯仿真,。最后，當(dāng)每一個(gè)模塊編譯仿真通過(guò)后,，就是要將每一個(gè)獨(dú)立模塊程序整合在一起,，形成總的編碼程序，并且調(diào)試總程序,。
圖1 總體設(shè)計(jì)流程圖
單元模塊設(shè)計(jì)及調(diào)試
分頻模塊
工作原理
所謂分頻,，就是將一個(gè)給定頻率較高的數(shù)字輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗?，產(chǎn)生一個(gè)或數(shù)個(gè)頻率較低的數(shù)字輸出信號(hào),。分頻本質(zhì)上是加法器的變化，其計(jì)數(shù)值由分頻常數(shù)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(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果，而是根據(jù)分頻常數(shù)對(duì)輸出信號(hào)的高,、低電平進(jìn)行控制。
軟件設(shè)計(jì)
下面設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行2分頻,、4分頻和8分頻的分頻程序,。根據(jù)實(shí)際需要還可以設(shè)計(jì)分頻系數(shù)為2N的分頻器,，只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)模N的計(jì)數(shù)器，再把模N的計(jì)數(shù)器的最高位直接付給分頻器的輸出信號(hào),，即可得到所需要的分頻信號(hào),。
分頻系數(shù)是2的整數(shù)次冪的偶數(shù)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(shí)現(xiàn)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(lèi)推，8分頻輸出最高有效位count(2),。
在MAX-plusII環(huán)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(hào)的,，作用就是當(dāng)輸入多路信號(hào)時(shí)，只選取其中一路輸出,，其選擇依據(jù)是根據(jù)其地址線(xiàn)的信號(hào),，地址線(xiàn)有N條，就能制作2N選一選擇器,。
軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)選擇模塊的工作原理,，應(yīng)用VHDL編寫(xiě)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(huán)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(wú)論是“1”還是“0”時(shí),，相鄰碼元電平極性均不改變，即在4分頻的時(shí)鐘clk上升沿隨輸入信號(hào)din變化而輸出信號(hào)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(huán)境中編譯仿真波形如圖7所示。
圖7 NRZ-L碼波形
NRZ-M(信號(hào)差分碼)
NRZ-M信號(hào)差分碼,，當(dāng)為“1”時(shí)相鄰碼元電平極性改變,，“0”時(shí)相鄰碼元電極性不改變，即在時(shí)鐘clk為4分頻的上升沿遇輸入信號(hào)datain “1”而跳變,，“0”保持輸出信號(hào)encoder-out,。
具體VHDL模塊圖如圖8所示。
圖8 NRZ-M（信號(hào)差分碼）的模塊圖
程序在QUARTUSII環(huán)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(dāng)為“0”時(shí)相鄰碼元電平極性改變，“1”時(shí)相鄰碼元電極性不改變,，即與NRZ-M(信號(hào)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(huán)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(hào)回歸到0電平，因此任意兩個(gè)碼元之間被0電平隔開(kāi),。當(dāng)為“1”時(shí)為“0”,，當(dāng)為“0”時(shí)則為“0”，即輸入datain信號(hào)中間隔開(kāi),，時(shí)鐘clk是2分頻,，在上升沿遇“1”跳變，其它為“0”,，輸出信號(hào)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(huán)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(fā)生跳變外，當(dāng)為“0”時(shí)相鄰碼元電平極性改變,，“1”時(shí)相鄰碼元電極性不改變,，由于要將輸入datain信號(hào)中間跳變，故需兩個(gè)時(shí)鐘clk1,、clk2,，且clk1是4分頻，clk2是2分頻,，都在兩時(shí)鐘上升沿遇“0”跳變,，遇“1”保持，輸出信號(hào)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(huán)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(fā)生跳變外,，當(dāng)為“1”時(shí)中間發(fā)生跳變,，當(dāng)為“0”時(shí)中間不發(fā)生跳變，即時(shí)鐘clk1為4分頻,，輸入信號(hào)datain相鄰碼元極性跳變,，遇“1”時(shí)在時(shí)鐘clk1的上升、下降沿跳變,，輸出信號(hào)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(huán)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(fā)生跳變外,，當(dāng)為“1”時(shí)相鄰碼元電平極性改變,，“0”時(shí)相鄰碼元電極性不改變,，即需要2分頻時(shí)鐘clk1，datain信號(hào)中間遇時(shí)鐘clk1上升沿跳變外,，且遇“1”相鄰碼元極性改變,，“0”時(shí)不變，輸出信號(hào)encoder-out,。
具體VHDL模塊圖如圖18所示,。
圖18 雙相-L
程序在QUARTUSII環(huán)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(fā)生跳變外,，當(dāng)為“0”時(shí)中間發(fā)生跳變，當(dāng)為“1”時(shí)中間不發(fā)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(huán)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(diào)試
整體程序在MAX-plusII環(huán)境中的編譯仿真波形如圖22所示。
圖22 八種編碼波形
總結(jié)
1） 運(yùn)用VHDL編寫(xiě)以上八種編碼是可行的,。
2） 經(jīng)過(guò)觀(guān)察各模塊的仿真波形,，符合各個(gè)編碼的特性。
3） 通過(guò)整體程序的調(diào)試仿真,，并在FPGA上實(shí)現(xiàn)了波形的鍵選,。