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串行编码技术的基本概念

作者：上海凯视力成信息科技有限公司

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        串行编码定义了由1和0组成的数据流以何种方式在发送通道上传输，有许多不同的通道编码标准存在，所有不同的编码方式都是为了适应串行信号的某些方面：DC分量、频谱分布、时钟恢复等，这些问题，通常是通道编码必须考虑的。

1 NRZ

        最简单的编码就是这个NRZ，这是我们天天所见的：逻辑1被编码作为一个DC电平，逻辑0做为另一个DC电平。图14显示了一个NRZ的例子，图14也标示了与每一位相关联的时钟，其一个周期，被称作一个位单元。

NRZ是简单的编码，一般用于设备内的信号传输，对于串行传输，它有许多缺点：

（1）数据本身不携带时钟信息，因此不能自定时；此外，一个全是1或全是0的长串编码结果就是一个固定的电平，没有跳变。

（2）它的DC分量随着数据流内容的变化而变化，低频内容往往占主导地位。

        由于这些原因，除了低速短距离通讯，比如SPI等 外，NRZ很少用于串行传输。

2 NRZI

        NRZI（Non Return to Zero Inverse：非归零反相编码），NRZI码逻辑0维持电平不变，逻辑1产生一个跳变，图15显示了图14的数据是如何被编码为NRZI码的。限定最大0的数目，NRZI就可以实现自定时能力。比如，将全0的同步码反向，于是产生连续的跳变，这样便于PLL锁定。NRZI频谱依然有一个相对较高的低频分量，且它的直流分量也不是自由的。

3 Bi-phase Mark

        Bi-phase Mark或曼彻斯特（Manchester）码对广播设备用户来说也是很著名的编码，它通常是与时间码相关联的通道编码方式，用位边界的跳变来表示位，而逻辑1在位周期中间点有附加的跳变。如图16所示。

        因为在每一位处都有跳变，所以，时钟信息能够直接从位流中分离出来，甚至不需要PLL。这意味着，信号能够在一个很宽传输速率范围里被编码。因为用跳变之间的间隔表示1或0，所以，信号恢复能够与波形的电平无关。

4 Miller Coding

        Miller码或Modified Frequency Modulation（MFM），类似于Bi-phase Mark，每位产生一个跳变，1被编码为跳变发生在位周期中间，如果是连续的0，则在它们之间的位边界处产生一个跳变，而单个的0没有跳变产生，如10101这样的码在0位边界处没有跳变。图16显示了Miller码的例子，以及演变的Miller Squared码。

        Miller码是自定时的，且其频谱有一个相对较低的低频成分，然而它并不是DC free的，这可能会引起一些问题，特别是在记录或长电缆时，Miller Squared码（之所以这么称呼，市因为它是Miller码的一个修改，通过一个第二个完全独立的Miller）有一个附加的规则：发生在2个0之间的偶数1的跳变被省略，也就是说01110占有5个位周期，有3个跳变，011110占6个位周期，但是也有3个跳变。

5 位映射

        这个方法是将输入的并行数据编码成有更多位的数，典型的如8/9编码：每个8bit的数由9bit的数来表示，一般通过一个查找表进行这种映射，如图17所示：

       这么做往往可以产生一个峰值频谱，然而低频分量通常会大大降低。

6 Scrambled Codes（扰码）

        扰码是一种具有干扰的、随机的编码概念。干扰的目的是使原有的数据序列变得具有随机性。对那些本已具备随机性的数据使用扰码编码方式显然是没有意义的，但是对视频这样高度相关性的数据流却具有非常好的优点，因为在这种情况下，相对于其它编码方式，扰码能产生较好的频率分布。因为扰码的目的是使数据位流中的1和0的个数相等且分布具有随机性，这样也易于时钟的恢复。

        干扰可以是以一个字为基础，并行数据在串行化之前就进行干扰，也可以以位为基础（bit-by-bit）。CCIR-601记录仪按照预先定义的查找表来产生扰码，而下面描述的串行数字接口使用虚拟随机序列产生扰码。

        位干扰系统是基于PRBS（虚拟随机二进制序列：Pseudo-random Binary Sequence），它依次组合到要传输的数据中，PRBS序列可以通过一个带反馈的移位寄存器来产生。如图18所示，反馈信号能被一个加法器组合，实际上使用的是模2加（异或）：0+0=0；1+0=1；1+1=0。

        显然进入0000，会出现死锁。所以4位移位寄存器有15个状态而不是16个状态，因为不允许出现0000这个状态。如图19a

        注意，序列是包含8个1和7个0的，换句话就是，发生器产生一个0或一个1，有较多或较少相等的可能。随着寄存器位数的增加，这种可能性趋向于一半。同样，产生器位数越多，序列变得越长，8bit产生器有255个状态，9bit有511个，如此等等。

        向前面解释的那样，PRBS组合发送数据使其随机化，图19b显示了这种情况。

        因为这样的随机信号被加到发送信号上，那么在接收端应该减掉，才可以恢复原先的数据，显然上面的方法存在很难解决的扰码产生器的同步问题。于是一种自同步扰码技术便应运而生，如图20所示，这里使用了9阶产生器。

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