应用VHDL设计通信编码波形

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引言
信号传输一般可分为两大部分：编码与解码。其中编码要求根据所传输信号特点选择合适的编码方式。由于不同的信号在不同的环境中进行传输，受到的干扰是不同的，而选择合适的编码方法可以最大限度的避免干扰，使通信更加顺畅、更加准确。
要实现不同的编码方式关键是要找到合适的算法，并且要求算法必须简洁亦兼容。笔者在这里主要采用了对比、联合和模块化的设计方法，使每一种编码成为一个独立模块，但又共用同一个或多个时钟。由此，大大节约了程序的存储空间，减少了程序的调试时间。
文章将用VHDL设计八种常用的编码方式，并运用ALTERA公司的QUARTUSII设计软件进行仿真调试。QUARTUSII设计软件是一款开放、与结构无关、多平台、完全集成化、丰富的设计库、模块化工具、支持各种HDL、有多种高级编程语言接口的非常先进的EDA工具软件。另外，超高速硬件描述语言VHDL具有强大的语言结构、多层次的描述功能、良好的移植性和快速的ASIC转换能力，支持硬件的设计、综合、验证和测试。因此，应用VHDL设计通信编码波形具有重要意义。
总体方案设计
方案总体设计如图1所示。首先，在运用VHDL编写程序时必须遵照系统规则，按照系统库函数调用，否则编译将会产生问题。其次，考虑到分模块编程，而每一种编码方式的编程会用到不同频率的时钟，因此要将系统时钟二分频、四分频和八分频，以备需要。然后就是要设计选择模块，方便对八种编码的自由选择。再进行 各个编码模块的VHDL编码，进而可以逐个编译仿真。最后，当每一个模块编译仿真通过后，就是要将每一个独立模块程序整合在一起，形成总的编码程序，并且调试总程序。

图1 总体设计流程图
单元模块设计及调试
分频模块
工作原理
所谓分频，就是将一个给定频率较高的数字输入信号，经过适当的处理后，产生一个或数个频率较低的数字输出信号。分频本质上是加法器的变化，其计数值由分频常数N=fin/fout（fin是输入频率，fout是输出频率）决定，其输出不是一般计数器计数结果，而是根据分频常数对输出信号的高、低电平进行控制。
软件设计
下面设计一个对输入时钟信号进行2分频、4分频和8分频的分频程序。根据实际需要还可以设计分频系数为2N的分频器，只需要实现一个模N的计数器，再把模N的计数器的最高位直接付给分频器的输出信号，即可得到所需要的分频信号。
分频系数是2的整数次幂的偶数分频器模块图如图2所示。

图2 2、4、8分频器的RTL模块图
此程序中rst为低电平有效，若实现2分频电路则输出最高有效位count(0)，4分频电路输出最高有效位count(1)，依次类推，8分频输出最高有效位count(2)。
在MAX-plusII环境中编译仿真波形如图3所示。

图3 2、4、8分频波形

选择模块
工作原理
此模块是用于选择信号的，作用就是当输入多路信号时，只选取其中一路输出，其选择依据是根据其地址线的信号，地址线有N条，就能制作2N选一选择器。
软件设计
根据选择模块的工作原理，应用VHDL编写的选择器模块图如图4所示。

图4 选择器的模块图

选择器程序在QUARTUSII环境中编译仿真波形如图5所示。

图5 选择器波形
功能模块
NRZ-L（不归零码）
NRZ-L(平)码无论是“1”还是“0”时，相邻码元电平极性均不改变，即在4分频的时钟clk上升沿随输入信号din变化而输出信号encoder-out。
具体VHDL模块图如图6所示。

图6 NRZ-L(平)的模块图
程序在QUARTUSII环境中编译仿真波形如图7所示。

图7 NRZ-L码波形
NRZ-M(信号差分码)
NRZ-M信号差分码，当为“1”时相邻码元电平极性改变，“0”时相邻码元电极性不改变，即在时钟clk为4分频的上升沿遇输入信号datain “1”而跳变，“0”保持输出信号encoder-out。
具体VHDL模块图如图8所示。

图8 NRZ-M（信号差分码）的模块图
程序在QUARTUSII环境中编译仿真波形如图9所示。

图9 NRZ-M码波形
NRZ-S（空格差分码）
NRZ-S（空格差分码），当为“0”时相邻码元电平极性改变，“1”时相邻码元电极性不改变，即与NRZ-M(信号差分码)恰好相反，clk为4分频。
具体VHDL模块图如图10所示。

图10 NRZ-S（空格差分码）的模块图

程序在QUARTUSII环境中编译仿真波形如图11所示。

图11 NRZ-S码波形
RZ(单极性归零码)
在归零码RZ中，码元中间的信号回归到0电平，因此任意两个码元之间被0电平隔开。当为“1”时为“0”，当为“0”时则为“0”，即输入datain信号中间隔开，时钟clk是2分频，在上升沿遇“1”跳变，其它为“0”，输出信号encoder-out。
具体VHDL模块图如图12所示。

图12 RZ（单极性归零码）的模块图
程序在QUARTUSII环境中编译仿真波形如图13所示。

图13 RZ码波形
积分曼彻斯特码
曼彻斯特编码是一种双相码。除了中间发生跳变外，当为“0”时相邻码元电平极性改变，“1”时相邻码元电极性不改变，由于要将输入datain信号中间跳变，故需两个时钟clk1、clk2，且clk1是4分频，clk2是2分频，都在两时钟上升沿遇“0”跳变，遇“1”保持，输出信号encoder-out。
其具体VHDL模块图如图14所示。

图14 积分曼彻斯特码的模块图
程序在QUARTUSII环境中编译仿真波形如图15所示。

图15 积分曼彻斯特码波形

双相-M码
双相-M码：除了相邻码元电平极性发生跳变外，当为“1”时中间发生跳变，当为“0”时中间不发生跳变，即时钟clk1为4分频，输入信号datain相邻码元极性跳变，遇“1”时在时钟clk1的上升、下降沿跳变，输出信号encoder-out。
具体VHDL模块图如图16所示。

图16 双相-M码的模块图
程序在QUARTUSII环境中编译仿真波形如图17所示。

图17 双相-M码波形
双相-L码
双相-L码，除了中间发生跳变外，当为“1”时相邻码元电平极性改变，“0”时相邻码元电极性不改变，即需要2分频时钟clk1，datain信号中间遇时钟clk1上升沿跳变外，且遇“1”相邻码元极性改变，“0”时不变，输出信号encoder-out。
具体VHDL模块图如图18所示。

图18 双相-L

程序在QUARTUSII环境中编译仿真波形如图19所示。

图19 双相-L码波形
双相-S码
双相-S码，除了相邻码元电平极性发生跳变外，当为“0”时中间发生跳变，当为“1”时中间不发生跳变，即与双相-L码相反，clk1为4分频。
具体VHDL模块图如图20所示。

图20 双相-S码的模块图码的模块图
程序在QUARTUSII环境中编译仿真波形如图21所示。

图21 双相-S码波形
整体程序调试
整体程序在MAX-plusII环境中的编译仿真波形如图22所示。

图22 八种编码波形

总结
1） 运用VHDL编写以上八种编码是可行的。
2） 经过观察各模块的仿真波形，符合各个编码的特性。
3） 通过整体程序的调试仿真，并在FPGA上实现了波形的键选。