CN112311401A - 一种同轴电缆曼彻斯特编解码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同轴电缆曼彻斯特编解码方法，首先在通信系统编码端插入前导序列和同步头，与信息码元一起形成一帧串行数据序列，再经过移位寄存器实现并串转换，并采用异或方式进行曼彻斯特编码；在解码端先实现时钟同步；再对数据进行曼彻斯特译码，将曼彻斯特码元转换为二进制NRZ码，使用串行方式提取同步头帧头，最后以同步头帧头为起始点，利用同步时钟进行串并转换，实现曼彻斯特码元的解码及并行化。本发明以基带通信方式在单芯同轴电缆上进行信号的耦合与编解码，可以在单芯同轴电缆上为终端供电的同时，实现主机和终端的高速双向实时通信，具有体积小、可实现性强、实时性高、建立连接速度快等优点，并能够实现远距离高速串行通信。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种曼彻斯特编解码方法。
背景技术
利用同轴电缆进行通信主要应用在石油探测，水下机器人等特殊作业场景中，这些应用环境具有三个共同点：一、对电缆的尺寸有严格的要求，需要电缆较细、适宜于拖曳或布放；二、电缆一端连接或拖曳着一台终端设备，同时为终端提供直流或交流电源，是终端设备的动力缆和承重缆，要求具有一定的抗拉特性；三、对通信速率和通信的实时性有较严格的要求，需要能够把信息实时无损上传。为了应对这种特殊场景，通常会选择单芯同轴电缆，这种同轴缆体积较小，外层包覆着一层抗拉层，具有极大的拉断力。在这种电缆中进行全双工通信，只能采用串行化方式进行信号的传输，其中曼彻斯特码元自身包含时钟信息，抗干扰能力强，易于解码，适合于作为同轴电缆中的传输码。
现有文献及研究中，类似的通信方法有电力线通信技术，该技术主要用于电力系统中，实现供电和通信的双功能。一般采用一个安规电容和耦合变压器组成耦合网络，将调制后的数字信号耦合到电力线上，或解耦合电力线上的数字信号。到目前为止，电力线通信的速率分为两种：一种是低速通信，用于电力系统关键参数的记录与传输，例如：电压、用电量等，波特率主要为9600bps，在耦合时采用了FSK、PSK等调制技术；还有一种采用OFDM方式的电力线通信技术，这种方式速率较高，可以达到10Mbps的波特率，但其编码解码的实现十分复杂，且初始化过程较慢，数据延时较长。
现有技术存在如下缺点：
(1)没有适用于单芯同轴电缆的基带通信系统相关技术实现，电力线通信系统采用数字调制解调的方式进行通信，例如：FSK、PSK或OFDM等，硬件及软件实现较复杂；
(2)现有的曼彻斯特码元解码方法为了实现起始码元的判别，需要在曼彻斯特码元之前添加特殊码元，会影响曼彻斯特码元自带时钟的连续性，不利于曼彻斯特码元的基带通信；
(3)电力线通信方法中，FSK调制速度较低，OFMD系统初始化时间较长；
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种同轴电缆曼彻斯特编解码方法，首先在通信系统编码端插入前导序列和同步头，与信息码元一起形成一帧串行数据序列，再经过移位寄存器实现并串转换，并采用异或方式进行曼彻斯特编码；在解码端先实现时钟同步；再对数据进行曼彻斯特译码，将曼彻斯特码元转换为二进制NRZ码，使用串行方式提取同步头帧头，最后以同步头帧头为起始点，利用同步时钟进行串并转换，实现曼彻斯特码元的解码及并行化。本发明以基带通信方式在单芯同轴电缆上进行信号的耦合与编解码，可以在单芯同轴电缆上为终端供电的同时，实现主机和终端的高速双向实时通信，具有体积小、可实现性强、实时性高、建立连接速度快等优点，并能够实现远距离高速串行通信。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：在通信系统编码端插入前导序列和同步头；
步骤2：把前导序列、同步头和信息码元统一打包，形成一帧串行数据序列，并放入小容量FIFO缓冲区中，再使用移位寄存器实现并串转换，最后采用异或方式进行曼彻斯特编码；
步骤3：将编码后的数据通过耦合网络耦合到同轴电缆；
步骤4：数据经同轴电缆传输后由解码端耦合网络耦合到通信系统解码端；
步骤5：在解码端利用前导序列和曼彻斯特码元序列进行串行时钟的提取，实现时钟同步；
步骤6：对数据进行曼彻斯特译码，将曼彻斯特码元转换为二进制NRZ码，使用串行方式提取同步头帧头；
步骤7：以同步头帧头为起始点，利用同步时钟进行串并转换，实现曼彻斯特码元的解码及并行化。
进一步地，所述前导序列为0x00或0xFF，长度不固定，在进行曼彻斯特编码后为一个与编码时钟同频的单频序列。
进一步地，所述前导序列为“0”和“F”交替出现，长度不固定，为解码端的时钟同步提供参考信号。
进一步地，所述编码端和解码端采用时分复用的方式进行切换。
进一步地，所述耦合网络为安规电容加变压器或电感加变压器，耦合网络利用曼彻斯特码元辐射的电磁波实现耦合功能。
进一步地，所述前导序列、同步头、信息码元紧密排列，相互之间无时间间隔。
进一步地，所述同步头为巴克码。
本发明提出的一种同轴电缆曼彻斯特编解码方法，具有以下有益效果：
1、本发明主要应用于单主机和单终端之间，能实现主机与终端同时实现供电和通信，可为终端供电的同时实现全双工通信，并可进行简化仅进行半双工通信；经进一步的分时控制，可实现多主机或多终端间的组网供电与通信，为特殊应用场景下的组网通信提供了一种可借鉴的方式；并能实现同轴电缆上的高速双向基带通信；
2、本发明对硬件系统的运算能力要求较低，适宜于在小型化低功耗系统中使用，其核心处理过程可在一个微型FPGA内部实现，降低了系统的复杂度，提高了系统的稳健性和可靠性，能实现高实时性无延时通信；
3、本发明实现方式简单易行，且通信速率高、数据延时可控，最大延时为一个数据帧的采集时间。
附图说明
图1为本发明系统框图。
图2为本发明曼彻斯特编解码过程示意图。
图3为本发明一帧串行数据序列示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种同轴电缆曼彻斯特编解码方法，包括如下步骤：
步骤1：在通信系统编码端插入前导序列和同步头；
步骤2：把前导序列、同步头和信息码元统一打包，形成一帧串行数据序列，并放入小容量FIFO缓冲区中，再使用移位寄存器实现并串转换，最后采用异或方式进行曼彻斯特编码；
步骤3：将编码后的数据通过耦合网络耦合到同轴电缆；
步骤4：数据经同轴电缆传输后由解码端耦合网络耦合到通信系统解码端；
步骤5：在解码端利用前导序列和曼彻斯特码元序列进行串行时钟的提取，实现时钟同步；
步骤6：对数据进行曼彻斯特译码，将曼彻斯特码元转换为二进制NRZ码，使用串行方式提取同步头帧头；
步骤7：以同步头帧头为起始点，利用同步时钟进行串并转换，实现曼彻斯特码元的解码及并行化。
进一步地，所述前导序列为0x00或0xFF，长度不固定，在进行曼彻斯特编码后为一个与编码时钟同频的单频序列。
进一步地，所述前导序列为“0”和“F”交替出现，长度不固定，为解码端的时钟同步提供参考信号。
进一步地，所述编码端和解码端采用时分复用的方式进行切换。
进一步地，所述耦合网络为安规电容加变压器或电感加变压器，耦合网络利用曼彻斯特码元辐射的电磁波实现耦合功能。
进一步地，所述前导序列、同步头、信息码元紧密排列，相互之间无时间间隔。
进一步地，所述同步头为巴克码。
Claims (7)
1.一种同轴电缆曼彻斯特编解码方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在通信系统编码端插入前导序列和同步头；
步骤2：把前导序列、同步头和信息码元统一打包，形成一帧串行数据序列，并放入小容量FIFO缓冲区中，再使用移位寄存器实现并串转换，最后采用异或方式进行曼彻斯特编码；
步骤3：将编码后的数据通过耦合网络耦合到同轴电缆；
步骤4：数据经同轴电缆传输后由解码端耦合网络耦合到通信系统解码端；
步骤5：在解码端利用前导序列和曼彻斯特码元序列进行串行时钟的提取，实现时钟同步；
步骤6：对数据进行曼彻斯特译码，将曼彻斯特码元转换为二进制NRZ码，使用串行方式提取同步头帧头；
步骤7：以同步头帧头为起始点，利用同步时钟进行串并转换，实现曼彻斯特码元的解码及并行化。
2.根据权利要求1所述的一种同轴电缆曼彻斯特编解码方法，其特征在于，所述前导序列为0x00或0xFF，长度不固定，在进行曼彻斯特编码后为一个与编码时钟同频的单频序列。
3.根据权利要求1所述的一种同轴电缆曼彻斯特编解码方法，其特征在于，所述前导序列为“0”和“F”交替出现，长度不固定，为解码端的时钟同步提供参考信号。
4.根据权利要求1所述的一种同轴电缆曼彻斯特编解码方法，其特征在于，所述编码端和解码端采用时分复用的方式进行切换。
5.根据权利要求1所述的一种同轴电缆曼彻斯特编解码方法，其特征在于，所述耦合网络为安规电容加变压器或电感加变压器，耦合网络利用曼彻斯特码元辐射的电磁波实现耦合功能。
6.根据权利要求1所述的一种同轴电缆曼彻斯特编解码方法，其特征在于，所述前导序列、同步头、信息码元紧密排列，相互之间无时间间隔。
7.根据权利要求1所述的一种同轴电缆曼彻斯特编解码方法，其特征在于，所述同步头为巴克码。
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