用于无线电通信的曼彻斯特数据编码

曼彻斯特编码作为低成本数字数据传输的调制方案已获得广泛认可。这种形式的二进制相移键控是一种简单的方法，用于编码任意位模式的数字串行数据，没有任何连续零或一的长字符串，并将编码时钟速率嵌入到传输的数据中。

曼彻斯特编码是二进制相移键控（BPSK）的一种形式，作为低成本数字数据射频（RF）传输的调制方案已被广泛接受。曼彻斯特是一种简单的方法，用于编码任意位模式的数字串行数据，而无需任何连续零或一的长字符串，并将编码时钟速率嵌入到传输的数据中。这两个特性使得能够构建低成本数据恢复电路，该电路可以解码具有不精确、低成本、数据速率时钟的发射器的可变信号强度的传输数据。

曼彻斯特格式的数字数据编码将“1”和“0”的二进制状态定义为转换而不是静态值。有两种可能的定义（如图1和图2所示），它们将逻辑电平交替分配给上升沿和下降沿的两个可能转换。

图1.将逻辑二进制数据定义为边转换。

图2.二进制数据作为边缘转换的替代定义同样有效。

曼彻斯特编码数据中位的定义可能会变得混乱，因为编码的每个二进制数据位都会在编码数据流中产生两个明显的“位”。请记住，编码数据位被定义为转换，很容易看出曼彻斯特数据流中没有位。曼彻斯特编码的数据流确实需要每个转换的两个级别，因为根据定义，信息被编码为低级到高级转换或高级到低级转换。因此，在曼彻斯特对数据进行编码需要两倍的逻辑级状态。但是，短语“曼彻斯特位”的使用仍然存在，在使用术语“位”来指定它是串行数据位还是曼彻斯特编码位时应小心。术语芯片通常用于描述过渡或边沿两侧的水平周期。因此，逻辑电平位的每个曼彻斯特数据编码都需要两个芯片。示例串行数据流如图3所示。

图3.使用图1所示的定义对串行数据流进行曼彻斯特编码。

曼彻斯特编码的一个关键优点是，平均而言，编码数据流的 DC 分量级别为零。无论编码数据流的峰峰值幅度如何，转换始终可以标识为编码数据流在中位数水平（在本例中为零）上转换的点。低成本数据解码器在称为数据切片器的简单转换检测器电路中利用这一特性。数据切片器的简单实现如图4所示，它使用简单的比较器对编码的数据流进行解码或切片。由R1和C1组成的低通滤波器跟踪输入串行数据流的直流平均值，选择的时间常数比串行数据芯片速率长得多。C1上的平均电压为比较器确定负输入基准值。串行数据流也馈送到比较器的正输入端，因此高于和低于平均值的转换导致比较器输出在电源电压上限和下限之间摆动。

图5显示了曼彻斯特编码的串行输入数据流和生成的输出数据流的示例。请注意，在本例中，编码数据流具有与零电平的直流偏移，这在RF接收器中很常见。数据切片器有效地将输入数据流转换为在电源轨之间摆动的二进制串行流，这在数字系统中很常见。这种二进制级恢复使编码的串行数据流适合使用标准数字电路进行进一步解码和处理。

图4.用于恢复二进制逻辑电平的简单数据切片器电路。

图5所示的示例电路还包括电阻R2和R3，它们为比较器电路中增加的迟滞形成正反馈。迟滞减少了缓慢变化或嘈杂的输入信号产生的多个边沿。

图5.低电平曼彻斯特数据流输入被数据切片到逻辑电平输出。

一旦曼彻斯特编码的数据被数据切片成具有恢复逻辑电平电压的串行数据流，数据解码器用于提取编码的原始串行数据信息。通常，数据解码器是运行软件算法的简单微控制器，该算法识别逻辑电平之间的二进制转换，为数据分配二进制“1”或“0”值。在给定的系统中，微控制器软件可以预测逻辑电平转换的时序，知道编码数据的近似波特率。这利用了曼彻斯特编码数据的第二个好处——嵌入式波特率时钟。在接收到的数据流接近本底噪声的情况下（例如，来自远距离发射器的低RF信号电平），数据切片器输出上的过渡沿可能具有多个转换。可以编写微控制器软件算法，不仅可以预测有效边沿的时序，还可以抑制在下一个有效边沿转换时间之前发生的进一步边沿。虽然可以实现数据解码器的硬件实现，但电路的复杂性通常与简单的微控制器相比没有成本竞争力。此外，微控制器可以执行其他功能，例如在接收到某些数据时激活数字输出，例如在解码正确的识别钥匙和控制功能时解锁车门。

图6.典型RF曼彻斯特数据接收器系统的基本组件。

曼彻斯特数据编码通常被描述为要编码的串行数据和用于建立比特率的时钟的逻辑组合过程。这种电路的示例如图7所示。像这样的电路的一个用途可能是对来自微控制器UART输出的串行数据进行编码。所示电路省略了所需的功能，这些功能可防止时钟和数据输入在转换中间逻辑电平状态时产生多个边沿。

图7.通过异或结合数据速率时钟和串行数据进行曼彻斯特编码。

然而，用于数据编码的异或定义并不能立即传达使用微控制器作为图8所示的发送器编码器创建曼彻斯特编码数据流的简单性，并使用软件进行编码和串行数据速率时序。这样，就没有必要使用带有硬件UART和外部电路的微控制器来传输曼彻斯特编码的数据。微控制器上的内部定时器触发子程序，根据正在传输的数据更新输出引脚，从而建立数据速率时间。微控制器的时基不必精确，因为编码数据包含有关解码接收器使用的嵌入数据和时钟的所有信息。

图8.微控制器可以使用软件创建曼彻斯特编码。

审核编辑：郭婷