【基础】高速总线设计的编码类型总结【转发】

2017-06-30 by:CAE仿真在线来源:互联网

编者注:编码是通信系统中一个基本的步骤,但是对于电子工程师来讲,往往就变得比较难以理解。随着速率的提升,高速串行信号几乎都有采用了各种编码方式,比如4b5b,8b10b,PAM4等等。本文介绍了一些基本的编码方式,其它的依此类推,大同小异。

通信线路的编码就像商品的包装,商品包装的目的是使商品更适合运输,在运输过程中不受损,同样,线路编码的目的就是使编码后的二进制数据更适合线路传输。

物理层的编码可以分为两类。一类是和物理介质相关,常用的光接口码型有NRZ、NRZI;电接口码型有HDB3、BnZS、CMI、Manchester、MLT-3。另一类和物理介质无关,比如百兆以太网用的4B/5B编码,千兆以太网用的8B/10B编码,万兆以太网用的64B/66B编码。

(1)物理介质相关编码

NRZ码:

NRZ即Non-Return to Zero Code,非归零码,光接口STM-NO、1000Base-SX、1000Base-LX采用此码型。NRZ是一种很简单的编码方式,用0电位和1点位分别二进制的“0”和“1”,编码后速率不变,有很明显的直流成份,不适合电接口传输。

NRZI码:

NRZI即Non-Return to Zero Inverted,非归零反转码,光接口100Base-FX使用此码型。编码不改变信号速率。
NRZI编码规则:
1).如果下一个输入二进制位是“1”,则下一个编码后的电平是当前电平跳变后的电平;
2).如果下一个输入二进制位是“0”,则编码后的电平与当前保持一致。

NRZ和NRZI都是单极性码,即都只有正电平和零电平,没有负电平,所以NRZ和NRZI码中有很多直流成份,不适合电路传输,并且NRZ和NRZI编码本身不能保证信号中不包含长连“0”或长连“1”出现,不利于时钟恢复。

MLT-3码:

MLT-3即Multi-Level Transmit -3,多电平传输码,MLT-3码跟NRZI码有点类型,其特点都是逢“1”跳变,逢“0”保持不变,并且编码后不改变信号速率。如NRZI码不同的是,MLT-3是双极性码,有”-1”、“0”、“1”三种电平,编码后直流成份大大减少,可以进行电路传输,100Base-TX采用此码型。
MLT-3编码规则:
1).如果下一输入为“0”,则电平保持不变;
2).如果下一输入为“1”,则产生跳变,此时又分两种情况。
(a).如果前一输出是“+1”或“-1”,则下一输出为“0”;
(b).如果前一输出非“0”,其信号极性和最近一个非“0”相反。

AMI码:

AMI即Alternate Mark Inversion,信号交替反转码,典型的双极性码,AMI类型的编码有HDB3、B3ZS、B8ZS等。
AMI编码规则:输入的“0”仍然是0,输入的“1”交替的变换为+1、-1。
AMI编码如下图所示:

AMI能保证编码后无直流分量,但AMI本身无法保长连“0”和长连“1”出现。
这就出现HDB3、B3ZS、B8ZS,这三种编码成功弥补了AMI码的这种缺陷。

HDB3码:

HDB3即High Density Bipolar of order 3code,三阶高密度双极性码。

编码规则:
1).当原码没有四个以上连“0”串时,AMI码就是HDB3码。
2).当出现四个以上连“0”串时,将第四个“0”变成与其前面一非“0”同极性的符号,由于这个符号破坏了极性交替反转的规则,因此叫做破坏符号,用V符号表示(+1为+V,-1为-V),相邻的V符号也需要极性交替。
3).当V符号之间有奇数个非“0”时,是能满足交替的,如为偶数,则不能满足,这时再将该小段的第一个“0”变成“+B”或“-B”,B符号与前一个非“0”符号相反,并让后面的非“0”符号从V符号开始交替变化。HDB3码如下图所示:

换一种更好记的方法:两V码之间原始码非“0”个数为为奇数时,用000V代替0000,为偶数时,用B00V代替0000,B00V之后,原始极性码必须与V码极性相反。如下图所示:

B3ZS码:

B3ZS即Bipolar with three-zero substitution,三阶双极性码,T3线路用此编码。
编码规则与HDB3相同,只是编码后能允许最多连“0”的个数从HDB3的三个减小到两个。B3ZS码如下所示:

B8ZS码:

B8ZS即Bipolar with eigth-zero substitution,八阶双极性码,如果源码中没有8个或以上连“0”串时,这时AMI码就是B8ZS码,如果有8个或以上连“0”时,将8个“0”替换成“000VB0VB”,其他规则同HDB3码。T1线路采用此编码。如下所示:

CMI码:

CMI即Code Mark Inversion,信号反转码。
编码规则:输入的“1”交替用-1和+1表示,“0”用电平从-1到+1的跳变表示,也就是一个上升沿。E4和SMT-1e线路采用此编码,编码后信号速率被提高,其实是以牺牲带宽来换取传输特性。如下图所示:

Manchester码:

使用电平从+1到-1的变化表示“0”,使用电平从-1到+1的变化表示“1”,编码效率低,只有50%,同CMI一样,是拿带宽换取传输特性,10Base-T使用此编码。

如下图所示:

各种链路与码型对应表:

(2)物理介质无关编码

什么是4B/5B编码?

4B/5B编码是百兆以太网(即快速以太网)中线路层编码类型之一,就是用5bit的二进制数来表示4bit二进制数,映射方式如下表所示:

为什么要进行4B/5B编码?

在通信网络中,接收端需要从接收数据中恢复时钟信息来保证同步,这就需要线路中所传输的二进制码流有足够多的跳变,即不能有过多连续的高电平或低电平,否则无法提取时钟信息。

Manchester(曼切斯特)编码可以保证线路中码流有充分的跳变,因为它是用电平从“-1”到“+1”的跳变来表示“1”,用电平从“+1”到“-1”的跳变来表示“0”,但是这种编码方式的效率太低,只有50%,相当于用线路的有效带宽来换取信号的跳变,十兆以太网就是使用Manchester编码,虽然线路的有效带宽只有10Mbps,但实际带宽却是20Mbps。
百兆以太网用的4B/5B编码与MLT-3编码组合方式,发送码流先进行4B/5B编码,再进行MLT-3编码,最后再上线路传输;千兆以太网用的是8B/10B编码与NRZ编码组合方式;万兆以太网用的是64B/66B编码;PCIE 3.0用的是128B/130B编码。

4B/5B编码规则有哪些?

4B/5B编码其实就是用5bit的二进制码来代表4bit二进制码。此编码的效率是80%,比Manchester码高。4B/5B编码的目的在前面已经说过了,就是让码流产生足够多的跳变。4位二进制共有16种组合,5位二进制共有32种组合,如何从32种组合种选取16种来使用呢?这里需要满足两个规则:
1).每个5比特码组中不含多于3个“0”;
2).或者5比特码组中包含不少于2个“1”;

此规则是怎么来的?这就要从MLT-3码的特点来解释了。MLT-3码的特点简单的说就是:逢“1”跳变,逢“0”不跳变。为了让4B/5B编码后的码流中有足够多的跳变就需要编码后的码流中有尽量多的“1”和尽量少的“0”。
这种编码的特点是将欲发送的数据流每4bit作为一个组,然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应5bit码。5bit码共有32种组合,但只采用其中的16种对应4bit码的16种,其他的16种或者未用或者用作控制码,以表示帧的开始和结束、光纤线路的状态(静止、空闲、暂停)等。
三种应用实例是FDDI、100BASE-TX和100BASE-FX.
8B/10B编码与4B/5B的概念类似,例如在千兆以太网中就采用了8B/10B的编码方式。
在通信系统中,通信速度与线路传输中的调制速率,所谓调制速率是指单位时间内线路状态变化的数目,以波特(baud)为单位。如果采用曼彻斯特编码,在每个调制时间间隔内跳动两次,则数据传送速率是波特率将的二分之一。在快速以太网中,数据传输速率为100Mbps,如果采用曼彻斯特编码,波特率将达200Mbps,对传输介质和设备的技术要求都将提高,增大了传输成本。如果使用4B/5B编码,在传输速率为100Mbps的情况下,其调制速率为:100M÷(4/5)=125M(baud)。即波特率为125M baud,大大低于曼彻斯特编码时的200M baud,这样就在快速以太网中使用非屏蔽双绞线成为可能。

转自微信公众号:信号完整性

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才