【基础】高速总线设计的编码类型总结

    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。