7.仿真设计---常用编码方式-凡亿课堂

一个layout工程师学习信号完整性之路

最近在进行信号完整性仿真的仿真时，被人问到的码型是什么样子，一下子就有点懵了。发现自己的盲区有多了一块，码型是什么东西？所以上网收集整合了一些资料，发现这些东西都是平常自己用到的，只不过没有在意。下面简单介绍一下NRZI、RZ、8B10B编码，除了这些还有许多编码方式，大家可以了解下：

一、NRZI 不归零编码

Non-Return-to-zero Inverted Code 和 NRZ 的区别就是 NRZI 用信号的翻转代表一个逻辑，信号保持不变代表另外一个逻辑。USB 传输的编码就是 NRZI 格式，在 USB 中，电平翻转代表逻辑 0，电平不变代表逻辑1。NRZ 和 NRZI 都没有自同步特性，但是可以用一些特殊的技巧解决。比如，先发送一个同步头，内容是 0101010 的方波，让接受者通过这个同步头计算出发送者的频率，然后再用这个频率来采样之后的数据信号。在 USB 中，每个 USB 数据包，最开始都有个同步域（SYNC），这个域固定为 0000 0001，这个域通过 NRZI 编码之后，就是一串方波（复习下前面：NRZI 遇 0 翻转遇 1 不变），接受者可以用这个 SYNC 域来同步之后的数据信号。此外，因为在 USB 的 NRZI 编码下，逻辑 0 会造成电平翻转，所以接受者在接受数据的同时，根据接收到的翻转信号不断调整同步频率，保证数据传输正确。这样还是会有一个问题，就是虽然接受者可以主动和发送者的频率匹配，但是两者之间总会有误差。假如数据信号是 1000 个逻辑 1，经过 USB 的 NRZI 编码之后，就是很长一段没有变化的电平，在这种情况下，即使接受者的频率和发送者相差千分之一，就会造成把数据采样成 1001 个或者 999 个 1了。USB 对这个问题的解决办法，就是强制插0，也就是传说中的 bit-stuffing，如果要传输的数据中有 7 个连续的 1，发送前就会在第 6 个 1 后面强制插入一个 0，让发送的信号强制出现翻转，从而强制接受者进行频率调整。接受者只要删除 6 个连续 1 之后的 0，就可以恢复原始的数据了。NRZ编码既是将逻辑1编码作为一个DC电平，逻辑0做为另一个DC电平。它与RZ码的区别就是它不用归零，也就是说，一个周期可以全部用来传输数据，这样传输的带宽就可以完全利用。一般常见的带有时钟线的传输协议都是使用NRZ编码或者差分的NRZ编码。因此，使用NRZ编码若想传输高速同步数据，基本上都要带有时钟线，因为本身NRZ编码无法传递时钟信号。但在低速异步传输下可以不存在时钟线，但在通信前，双方设备要约定好通信波特率，例如UART。

二、RZ编码归零编码

RZ编码：Return-to -zero Code 归零编码

正电平代表逻辑1，负电平代表逻辑0，每传输完一位数据，信号返回到零电平

从下图就可以看出来，因为每位传输之后都要归零，所以接受者只要在信号归零后采样即可，这样就不在需要单独的时钟信号。实际上， RZ 编码就是相当于把时钟信号用归零编码在了数据之内。这样的信号也叫做自同步（self-clocking）信号。

三、8b/10b编码

USB 3.0采用的是8b/10b编码方式。8b/10b编码方式优点：1）保持DC直流平衡 2）保证有足够的转换密度，避免接收端时钟漂移或同步丢失而引起数据丢失 3）编码采用冗余方式，将8位的数据和一些特殊字符按照特定的规则编码成10位的数据，根据这些规则，能检测出传输过程中单个和多个比特误码。4）8B/10B编码规定了一些特殊字符，可用作帧同步字符和其他的分隔符或控制字符，有助于比特流的码组定位和信息识别。极性偏差：running disparity RD参数表示不平衡度在不平衡时用2个10 bit字符表示一个8位字符，其中一个称为RD- ，表示“1” 的个数比“0” 的个数多2个，另一个称为RD+ ，表示“0” 的个数比“1” 的个数多2个。为什么要采用8B10B：由于我们的串行链路中会有交流耦合电容，我们知道理想电容的阻抗公式是Zc=1/2πf*C，因此信号频率越高，阻抗越低，反之频率越低，阻抗越高。因此上面的情况，当码型是高频的时候，基本上可以不损耗的传输过去，但是当码型为连续“0”或者“1”的情况时，电容的损耗就很大，导致幅度不断降低，带来的严重后果是无法识别到底是“1”还是“0”。因此编码就是为了尽量把低频的码型优化成较高频的码型，从而保证低损耗的传输过去。不均等性（disparity）和极性偏差（running disparity，RD），不均等性是指编码后的码型数据是“1”多还是“0”多，如果是“1”多，则极性偏差RD为-RD，如果是“0”多则为+RD。