标签: 高速信号编码

上文说完了8B/10B之后，我们再来说说貌似更复杂的64B/66B编码。很多人可能在想，8B/10B编码主要作用的优化直流平衡，从8bit中插2个bit进去，这样的话最终效果能够使长0或者长1的位数不超过5位，达到很好的效果。那64B/66B编码方式呢？在从64个bit中仅加入2个bit，能够很好的解决长0长1的问题吗？作用似乎只是杯水车薪，2个bit相对于64个bit太少了。但是这种64B/66B的编码方式流行至今，肯定是有它自己的优势所在，其实它和8B/10B编码还是有原理上和算法上的区别的。 当然，如果仅靠这2个bit来实现8B/10B的作用显然不太现实。其实上，这两个bit只是起一个同步头的作用，主要用于接收端的数据对齐和接收数据位流的同步。这两个bit有“10”和“01”两种同步表征方式，“01”表征后面的64个bit都是数据bit，“10”表示后面的64bit是数据和控制信息的混合，其他的“00”或者“11”都表征为错误信息。数据bit用“D”表示，每个数据码是8bit；控制bit用“Z”表示，每个数据码是7bit。其中在“10”这种数据控制信息混合的情况下，后8个bit划分为表征类型域，其后的56bit才是真正的控制信息或数据控制两者的混合。另外“S”表示包开始传送，“T”表示包传送结束，值得注意的是“S”只能在第0和第4字节出现。“T”可以出现在任何的字节。结构图如下所示： “S”字节 一个传输的例子如下： 那按照上面说的，新加的2个bit只是作为同步，那后面的数据可以如何优化呢？这里有一项区别于8B/10B编码的技术——扰码。 所谓扰码，就是一种将数据重新排列或者进行编码以使其最优化的方法。怎么才能最优化呢？就是使数据bit的“0”和“1”最大程度的达到随机分布，进一步减轻了抖动的码间串扰，提高了数据传输的可靠性。从本质上说，扰码就是为了达到这个目的而在传输数据进入信道传输之前，对其进行的比特层的随机化处理过程。它的方法就是使用上面prbs码型所说到的多项式，关于多项式的选择通常是基于扰码的特性，包括生成数据的随机度，以及打乱连0和连1的能力。从prbs多项式的角度说，其实就是重新生成伪随机码型的过程。 64B/66B的扰码使用的多项式是1+X39+X58。按照前期说的prbs生成器，得到该扰码器的框图如下所示： 就是前几期prbs说的第39和第58位的异或运算，然后通过移位寄存器输出的码型结果。当然，前面说了，64B/66B编码的这种扰码方式目标是使数据的“0”和“1”最大程度的随机分布，减小连续出现的情况，因此它可能并不能适用于所有的码型，不像8B/10B编码一样对所有的bit组合都有出色的表现，具体还要看接收器的能力。但是无可否认，它最大的好处是效率比较高，传输冗余的bit只有2位，不像8B/10B编码需要20%的开销。这方面在更高速的传输环境下更具有优势。

前面文章说过，在高速链路中导致接收端眼图闭合的原因，很大部分并不是由于高频的损耗太大了，而是由于高低频的损耗差异过大，导致码间干扰严重，因此不能张开眼睛。针对这种情况，前面有讲过可以通过 CTLE 和 FFE （包括DFE）均衡进行解决，原理无非就是衰减低频幅度或者抬高高频幅度，从而达到在接收端高低频均衡的效果。同时我们在前文还埋了个伏笔： 隔了一段时间，不知道大家还记得我们这个约定吗？不管你们记不记得，本人肯定没有忘记哈。现在就把这个关子拿出来讲讲，也就是今天要说的编码方式。说到针对于NRZ数据的编码方式，本人听过的有4B/5B，8B/10B，64B/66B，64/67B，128B/130B，128B/132B编码（可能各位还有其他吧），不同的编码方式针对于不同的信号协议，当然效率也是不一样的。 什么叫效率？在数据包传送的术语叫开销，意思就是除了实际需要的数据之外的一些数据bit，例如冗余校验等。那大家看上面的编码的数值比就知道了，例如8B/10B，要把8bit的实际数据扩展为10B，那开销就是20%，效率就只有80%了，更通俗来说就是增加了20%的非实际数据的传输 。所以一个好的编码方式，除了看它本身的算法优化情况外，还要注重效率高不高。 本人将用两期的篇章主要介绍下8B/10B和64/66B编码方式，其他的主要都是由他们扩展开来的。那介绍完前面总体的情况后，进入本期的主题，8B/10B编码。 首先，为什么要编码？原来的码型有什么不好的地方吗？其中最主要的原因用下面这个图来进行解释：   大家看明白了吧，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。 上面解释了原因，下面就介绍下这种8B/10B的编码方式的算法。   如上图，关于8B/10B编码算法有下面几点需要理解： 1，低5位（ABCDE）中间加一位，进行5B/6B编码，高三位（FGH）中间加一位，进行3B/4B编码； 2，编码后的bit仅会出现这三种情况：5个“0”与5个“1”、4个“0”与6个“1”、6个“0”与4个“1”； 3，有两个术语要知道：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。那定义+-RD有什么意义呢？+-RD代表着同一个码型的两种编码方式。我们本身就是编码的目标就是为了缓解长“0”或长“1”的影响，因此在编码后如果“1”多的话，我们下一次的编码就要把这种码型做一个修正，因此从-RD码型变成+RD码型。如果是“0”和“1”一样多，极性则不用变，如下图：   4，我们怎么知道编码后映射成什么码型呢？因此会有一个专门的编码表，我们只需要在上面找到我们的原始码型，然后就一目了然了。编码表如下所示（部分截图）：   说了那么多，还不如举个例子更直观。 我们以上面的D3.0码型进行仿真验证：   原始的码型如下：   仿真得到8B/10B编码后的码型如下：   对照上面的编码表，结果完全相同，从RD-的模型出发，编码后RD-的码型“1”比较多，因此极性变成RD+的编码码型，接着RD+的编码码型“0”比较多，极性又变回RD-，因此码型就是RD-和RD+之间循环下去。 通过上面的介绍，大家对8B/10B编码有一个初步的认识了吧，上面对编码的原因也提了下，问题就是大家能再总结叙述下为什么要进行编码吗？