СПОСОБ ДЕКОДИРОВАНИЯ МАНЧЕСТЕРСКОГО СИГНАЛА
METHOD OF DECODING MANCHESTER SIGNAL

Настоящее изобретение относится к технике цифровой обработки сигналов и предназначено для декодирования сигналов, закодированных в коде Манчестер-II.
Код Манчестер-II или иначе, бифазный фазо-манипулированный код без возврата к нулю, имеет два уровня, при этом логической единице передаваемых данных соответствует переход сигнала в середине такта передачи бита данных с верхнего на нижний уровень, а логическому нулю - с нижнего на верхний. Для декодирования манчестерского сигнала используются два способа [1-2]. Один из них заключается в восстановлении тактового сигнала из входного сигнала и использовании его для декодирования данных. Другой способ предполагает выявление изменения уровня манчестерского сигнала в середине такта передачи данного на основе схем цифровой фазовой автоподстройки, с тактовой частотой много выше, чем частота передачи данных.
Первый способ увеличивает сложность и стоимость декодера манчестерского сигнала, при втором способе требуется высокая частота работы декодера и использование для его реализации быстродействующих электронных схем.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ декодирования манчестерского сигнала, предложенный в патенте [3], включающий выборку входного манчестерского сигнала с известной частотой передачи на тактовой частоте выборки, декодирование полученной последовательности логических сигналов, соответствующих уровню входного манчестерского сигнала, с помощью конечного автомата, который выдает выходной сигнал декодированных данных и сигнал готовности данных. Особенностью данного способа является работа на низкой тактовой частоте выборки входного манчестерского сигнала, не превышающей 5-кратной частоты передачи, и не синхронизированной с частотой передачи данных, а также использование для декодирования конечного автомата.
Способ [3] имеет недостатки. Он не отрабатывает ситуации, когда уровень и длительность манчестерского сигнала нарушается из-за помех и джиттера входного сигнала в линии или сбоев в тракте передачи-приема данных, а также не выявляет паузу, начало и конец передачи пакета данных, которые присутствуют во всех протоколах передачи данных на основе кода Манчестер-II.
Задачей настоящего изобретения является декодирование манчестерского сигнала в условиях помех, сбоев и джиттера входного сигнала, а также распознавание начала передачи пакета данных и пауз между ними на частоте работы декодера, не превышающей трехкратную частоту передачи данных.
Данная задача решается за счет того, что способ декодирования манчестерского сигнала, включающий выборку входного манчестерского сигнала с известной частотой передачи на тактовой частоте выборки, декодирование полученной последовательности логических сигналов, соответствующих уровню входного манчестерского сигнала, с помощью конечного автомата, который выдает выходной сигнал декодированных данных и сигнал готовности данных, при этом тактовая частота выборки не превышает 3-кратную частоту передачи, на тактовой частоте выборки осуществляется дополнительно выборка входного манчестерского сигнала в середине такта выборки, а конечный автомат выдает выходной сигнал декодированных данных и сигнал готовности данных по полученной последовательности выборок входного манчестерского сигнала на тактовой частоте выборки и в середине такта выборки, а также выдает сигналы "пауза" и "ошибка данных", причем сигнал "пауза" выдается в конце передачи пакета данных, сбрасывается - в начале, сигнал "ошибка данных" выдается, если конечный автомат не смог однозначно декодировать данные.
На фиг.1 приведена функциональная схема реализации предлагаемого способа, где 1 - генератор, 2 - блок выборки, 3 - блок логики, 4 - тактовая частота, 5 - входной сигнал, 6 - выборки на тактовой частоте, 7 - декодированный сигнал, 8 - сигнал готовности, 9 - выборки в середине такта тактовой частоты, 10 - сигнал ошибки, 11 - сигнал паузы.
На фиг.2 приведены временные диаграммы манчестерского сигнала в начале и конце передачи пакета данных на примере мультиплексного канала обмена (МКО) [4]. В соответствии с [4] передача данных начинается синхросигналом длительностью 3 такта частоты передачи данных, полярность первой половины синхросигнала - положительная, второй - отрицательная. Завершается передача пакета данных паузой длительностью не менее 4 тактов (переходы 16 и 17), которая измеряется от середины такта последнего переданного бита до середины следующего за паузой синхросигнала.
На фиг.3 приведены временные диаграммы манчестерского сигнала, когда из-за помех или сбоев в тракте передачи-приема данных блок выборки не зафиксировал перепад уровня манчестерского сигнала в середине такта передачи данных, при этом перепады уровня предыдущего и последующего битов данных были зафиксированы правильно. Две первые диаграммы соответствуют ситуации, когда данные восстановить невозможно, поэтому выдется данное, принятое на предыдущем такте, которое помимо сигнала готовности данных сопровождается высоким уровнем сигнала ошибки. Две последние диаграммы соответствуют ситуации, когда блок выборки зафиксировал перепад уровня в конце такта передачи предыдущего бита и передаваемое данное может быть восстановлено, даже при отсутствии фиксации перепада уровня манчестерского сигнала в середине такта передачи.
На фиг.4 приведен граф автомата, обеспечивающий обработку временных диаграмм, приведенных на фиг.2 и фиг.3, на которых дополнительно указаны уровни и длительности сигнала, а также номера переходов графа автомата.
Граф автомата содержит 1, 2, 3, 4 - вершины состояний автомата «00», «0», «1», «11», а 5, 6, 7, 8, 9 - переходы между состояниями. Граф дополнен состояниями 11 («Р»), 12 («01»), переходами 13-17, которые соответствуют распознаванию паузы в конце передачи блока данных и синхросигнала в начале передачи пакета данных [1], и переходами 18-25, которые фиксируют отсутствие фронта в середине очередного такта передачи данных.
Для идеального манчестерского сигнала декодирование может осуществляться на частоте, не менее чем в 1.5 раза превышающую частоту передачи. В этом случае, входной сигнал, удерживаемый на одном уровне в течение половины периода передачи данных, дает последовательность, состоящую из 1-2 единиц или нулей, а в течение одного, полутора и двух периодов - 3-4, 5-6, 7-8 соответственно.
Реальный манчестерский сигнал содержит джиттер, который обусловлен неидеальными свойствами линии передачи и затуханием сигнала в ней, а также наличием шумов и помех. Для обеспечения гарантированного декодирования сигнала при наличии джиттера рекомендуется использовать более высокую частоту. Например, для частоты в 3 раза превышающую частоту передачи, входной сигнал, удерживаемый на одном уровне в течение половины периода передачи данных, дает последовательность состоящую из 2-4 единиц или нулей, а в течение одного, полутора и двух периодов - 5-7, 8-10, 11-13 соответственно, при джиггере, достигающем ±0.16(6) периода передачи данных, что позволяет предлагаемым способом достоверно декодировать входной манчестерский сигнал в соответствии с требованиями [4], где оговорена максимальная величина джиттера сигнала на входе приемного устройства равная ±0.15 периода передачи данных.
За счет высокой помехозащищенности, наличия только двух уровней сигнала, свойства самосинхронизации, простой гальванической развязки и узкого спектра код Манчестер-II нашел широкое применение в электропроводных и оптоволоконных сетях передачи цифровых данных, в частности, в сети Ethernet 10Base-T/F, используемой в промышленности, в МКО [4] (MIL-STD-1553B), используемом в авиации и космической технике, и в протоколе RC5/6 Philips, используемом в пультах дистанционного управления аудио и видео аппаратурой, бытовой техникой, а также в RFID картах и чипах идентификации.
Предлагаемый способ позволяет декодировать манчестерский сигнал при сбоях передачи бита данных, распознавать начало передачи пакета данных и паузу между ними при джиттере входного сигнала, достигающем ±0.16(6) периода передачи данных, на частоте декодирования не превышающей трехкратную частоту передачи данных.
Источники информации
1. Патент США №3,979,746.
2. Патент США №4,317,211.
3. Патент США №6,628,212.
4. ГОСТ Р 52070-2003. ИНТЕРФЕЙС МАГИСТРАЛЬНЫЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ.