基于VHDL的通信编码波形的设计与仿真

 

　　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