【技术专辑】如何使用硬件解码曼彻斯特编码数据

本文介绍了一些可以帮助您从曼彻斯特编码信号中提取原始数据的电路。

 

一年多以前,我写过关于曼彻斯特编码的“为什么和为什么”的文章,最近我通过一篇文章继续讨论如何将原始二进制数据转换为曼彻斯特数据的一些指导。到目前为止一切都那么好,但如果你不能将曼彻斯特信号转换回正常的0和0,那么曼彻斯特编码在你的通信系统中几乎没有价值。

 

切片数据

 

可以在任何曼彻斯特接收器中派上用场的一个电路称为数据限幅器。我们知道曼彻斯特编码与AC耦合兼容,并且当使用AC耦合时,接收信号的平均值将为零。然而,逻辑高和逻辑低特性可能不太可预测,特别是当曼彻斯特信号在从发射器到接收器的旅程中暴露于显着的噪声或衰减时。

 

数据限幅器通过将曼彻斯特信号与信号的平均值进行比较,将此噪声/衰减波形转换为干净的数字波形。使用RC低通滤波器提取平均值。如果输入信号高于平均值,则比较器在逻辑高电压下饱和; 如果输入信号低于平均值,则它在逻辑低电压下饱和。

 

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与比较器电路的情况一样,实际实现应该包含滞后。如果您计划在微控制器中处理曼彻斯特数据,则可以选择带有可编程迟滞的比较器模块的设备。这将是切片输入数据并将结果波形直接传送到处理器的便捷方式,处理器将清理后的曼彻斯特信号转换为正常的逻辑电平数据。

 

通过硬件解码

 

在数据切片之后,接收器具有符合预期逻辑电平的曼彻斯特编码信号,并且没有大量噪声。(希望比较器的迟滞能够消除在有噪声的接收信号超过比较器阈值时会发生的虚假逻辑转换。)下一个任务在概念上很简单,但在现实生活中并不总是如此简单:我们需要解释正面和负转换为1和0(或0和1,取决于您如何编码数据)。

 

可以通过硬件完成此任务。不过,我愿意打赌,大多数基于曼彻斯特的设备都使用固件进行解码。硬件实现有些复杂,并且它们无法与易于集成到微控制器或数字信号处理器中的灵活性和高级功能竞争。然而,硬件更快并且不消耗CPU资源,因此在追求至少部分地基于硬件的解码解决方案中肯定有价值。

 

微芯片

 

我在Microchip 应用笔记中找到了第一个电路。它不是一个独立的解码解决方案; 相反,他们提出的方法可以使用他们已经整合到一些微控制器中的硬件来实现,即可配置逻辑单元(CLC)和数控振荡器(NCO)。

 

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图来自Microchip 应用笔记。

 

Cypress

 

下一个电路来自Cypress,旨在与PSoC 1器件配合使用。

 

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从赛普拉斯app笔记采取的图。

 

这两种实现都很有趣,因为它们不直接从曼彻斯特转换中恢复原始数据,尽管曼彻斯特编码基于转换。相反,它们利用了原始逻辑电平始终在转换之前出现的事实。如果我们看一下曼彻斯特时序图,这将更加清晰:

 

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假设时钟的有效边沿是上升沿。如果数据信号在时钟的上升沿处为低电平,则曼彻斯特信号进行从低到高的转换以表示逻辑低电平。如果数据信号在时钟的上升沿为高,则曼彻斯特信号进行从高到低的转换。当时钟有上升沿时,曼彻斯特信号总是转换。

 

此外,曼彻斯特信号必须通过在必要时移动到允许其进行所需转换的状态来准备此转换。如果曼彻斯特信号必须进行从低到高的转换(对应于逻辑低电平),则在进行此转换之前,它必须为逻辑低电平。如果必须进行从高到低的转换(对应于逻辑高电平),则在进行转换之前必须为逻辑高电平。因此,紧接在转换之前的曼彻斯特信号的逻辑电平等于原始数据的逻辑电平。

 

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Cypress和Microchip的方法都包含一个延迟,使得电路在经过四分之三的位周期后对曼彻斯特信号进行采样。此时序基于以下事实:曼彻斯特信号可能需要在比特周期的中途转换(假设比特周期从原始时钟的上升沿开始,如上图所示)。通过延迟四分之三的位周期,保证电路在中间位周期转换之后和有效转换之前对信号进行采样。

 

如果接收器始终知道发送器将使用的比特周期,则很容易创建适当的延迟,但即使不知道,接收器也可以从曼彻斯特数据流中恢复时钟。在这篇硕士论文中,你可以找到比你想知道的关于曼彻斯特时钟恢复的更多信息。

 

Silicon Labs

 

如果您想再考虑一个解码器电路,SiLabs设计了以下实现(也基于四分之三周期概念),用于包含可配置逻辑单元(CLU)的微控制器。

 

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从Silicon Labs 应用笔记采取的图。

 

结论

 

我们研究了两种可以将曼彻斯特编码数据转换为普通逻辑级数据的电路,我们还讨论了一种数据限幅器,它提供了初步的信号处理,并且与基于固件和基于硬件的解码器结合使用。在以后的文章中,我们将探讨基于曼彻斯特的系统中接收器 - 发射器同步的问题。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计