【数字通信】高速信号编码之XXB/XXB

　　对于NRZ数据编码方式，有4B/5B，8B/10B，64B/66B，64/67B，128B/130B，128B/132B编码等等，不同的编码方式针对不同的信号协议，导致的效率也是不同的。

　　什么是效率？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。如8B/10B，要把8bit的实际数据拓展为10bit，那么开销就是20%，效率就只有80%，换句话说，就是增加了20%的非实际数据的传输。

　　编码方式评判标准：除本身的算法优化外，还应注重其效率。

　　编码的原因：由于串行链路中会有交流耦合电容，理想电容的阻抗公式：

　　线路编码机制将输入原始数据转变为接收器可接收的数据格式，同时保证数据流中有足够的时钟信息提供给接收端的时钟恢复电路。线路编码技术提供了一种将数据对齐到字节/字的方法，可以保持良好的直流平衡，增加了数据的传输距离，提供了更为有效的错误检测机制。除此之外，线路编码技术也可以用来实现时钟修正、块同步、通道绑定和将带宽划分到子信道等。线路编码技术主要有两种：数值查找表机制和自修改数据流（扰码）。目前常用的有8B/10B编码和64B/66B编码。

 　　接下来主要介绍8B/10B编码方式，其他均由它们拓展而来。8b/10b编码是由IBM于1983年发明的，旨在解决系统互联以及GB以太网传输的问题。 是指将8b的数据通过某种编码规则扩展成10b，保证数据流中的“0”和“1”数量基本一致，通过降低效率来增加传输的数据恢复的可靠性。

一、8b/10b 主要具有以下优点：

1、保证直流（DC）平衡（重点）

　　直流平衡是什么意思呢？如上图所示，由于我们的串行链路中会有交流耦合电容，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（0/1切换的很快），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。

　　8b/10b编码方式总输出位数是10个位，其中“0”与“1”出现的次数总共也仅在三种场合存在，分别为“5个位0与5个位1”、“4个位0与6个位1”、“6个位0与4个位1”。有一个8b/10b编码的技术专用语“不均等性（Disparity）”，其涵义就是指10个位中位0与位1出现次数的差。换句话说，8b/10b编码的“Disparity”就仅有“+2”（4个位0与6个位1）、“+0”（5个位0与5个位1）以及“-2”（6个位0与4个位1）三种状况。

2、有利于提取时钟

　　时钟恢复是依赖于“电平跳变沿“，所以平衡”0“和”1“，可以简化了时钟恢复，降低了接收机成本。

 3、方便错误检查

　　8B/10B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。有关8b/10b编码的编码算法可以进一步查阅相关文献。在SerDes中长常用编码方式除了8b/10b编码外，还有64b/66b编码等；

 

二、编码方式

• 8bit原始数据可以分成两部分：低位的5bit EDCBA（设其十进制数值为X）和高位的3bit HGF（设其十进制数值为Y），则该8bit数据可以记为D.X.Y；
• 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；
• 8B/10B编码中还用到12个控制字符，他们可以作为传输中帧起始、帧结束、传输空闲等状态标识，与数据字符的记法类似，控制字符一般记为K.X.Y。

　　8bit数据有256种，加上12种控制字符，总共有268种。10bit数据有1024种，可以从中选择出一部分表示8bit数据，所选的码型中0和1的个数应尽量相等。8B/10B编码中将K28.1、K28.5和K28.7作为K码的控制字符，称为“comma”。在任意数据组合中，comma只作为控制字符出现，而在数据负荷部分不会出现，因此可以用comma字符指示帧的开始和结束标志，或始终修正和数据流对齐的控制字符。

　　编码时，低5bit原数据 EDCBA经过5B/6B编码成为6bit码abcdei，高3bit原数据HGF经3B/4B成为4bit码fghj，最后再将两部分组合起来形成一个10bit码abcdeifghj。10B码在发送时，按照先发送低位在发送高位的顺序发送。【注：不均等性（Disparity）和极性偏差（Running Disparity，RD）。不均等性（Disparity）：编码后的码型数据是“1”多还是“0”多；如果“1”多，则极性偏差RD为-RD，如果“0”多则是+RD】

　　5B/6B编码和3B/4B编码的映射有标准化的表格，可以通过基于查找表的方式实现。使用 “不一致性（Disparity）”来描述编码中"1"的位数和"0"的位数的差值，它仅允许有"+2"( "0"比"1"多两个)、"0"（ "0"与"1"个数相等）以及"-2"（"1"比"0"多两个）这三种状况。 由于数据流不停地从发送端向接收端传输，前面所有已发送数据的不一致性累积产生的状态被称为“运行不一致性（Runing Disparity，RD）”。RD仅会出现+1与-1两种状态，分别代表位"1"比位"0"多或位"0"比位"1"多，其初始值是-1。

　　编码的目的是为了缓解长“0”或长“1”的影响，因此在编码后如果“1”多的话，下次编码就要把这种码型做修正，从-RD码型变成+RD码型。如果“1”和“1”一样多，极性则不变，变化规则如下图所示：

 

　　决定5B/4B和 3B/4B编码映射方式，如下表所示

5B/4B编码	3B/4B编码

注：当与5B/6B组合时，必须从D.x.P7和D.x.A7中选择一个来避免连续的5个0或1。