不归零制编码、归零制编码、NRZI

最新推荐文章于 2024-11-12 05:00:00 发布

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本文详细介绍了USB采用的NRZI编码方式及其工作原理，包括NRZI如何通过信号翻转来表示数据，以及如何解决同步问题。此外，文章还对比了RZ、NRZ与NRZI的不同，并解释了曼彻斯特编码的特点。

在传送分组时，USB应用了NRZI编码方式。

信号电平的一次反转代表1，电平不变化表示0，并且在表示完一个码元后，电压不需回到0

　　不归零制编码是效率最高的编码

　　缺点是存在发送方和接收方的同步问题

　　单极性不归零码,无电压(也就是元电流)用来表示"0",而恒定的正电压用来表示"1"。每一个码元时间的中间点是采样时间,判决门限为半幅度电平(即0.5)。也就是说接收信号的值在0.5与1.0之间,就判为"1"码,如果在O与0.5之间就判为"0"码。每秒钟发送的二进制码元数称为"码速"。

　　双极性不归零码,"1"码和"0"码都有电流,但是"1"码是正电流,"0"码是负电流,正和负的幅度相等,故称为双极性码。此时的判决门限为零电平,接收端使用零判决器或正负判决器,接收信号的值若在零电平以上为正,判为"1"码;若在零电平以下为负,判为"0"码。

　　以上两种编码,都是在一个码元的全部时间内发出或不发出电流(单极性),以及发出正电流或负电流(双极性)。每一位编码占用了全部码元的宽度,故这两种编码都属于全宽码,也称作不归零码NRZ (Non Return Zero)。如果重复发送"1"码,势必要连续发送正电流;如果重复发送"0"码,势必要连续不送电流或连续发送负电流,这样使某一位码元与其下一位码元之间没有间隙,不易区分识别。归零码可以改善这种状况。

RZ,NRZ与NRZI编码解释

RZ 编码（Return-to-zero Code），即归零编码。
在 RZ 编码中，正电平代表逻辑 1，负电平代表逻辑 0，并且，每传输完一位数据，信号返回到零电平，

也就是说，信号线上会出现 3 种电平：正电平、负电平、零电平：

        从图上就可以看出来，因为每位传输之后都要归零，所以接受者只要在信号归零后采样即可，这样就不在需要单独的时钟信号。
        实际上，RZ 编码就是相当于把时钟信号用归零编码在了数据之内。这样的信号也叫做自同步（self-clocking）信号。
        这样虽然省了时钟数据线，但是还是有缺点的，因为在 RZ 编码中，大部分的数据带宽，都用来传输“归零”而浪费掉了。
        那么，我们去掉这个归零步骤，NRZ 编码（Non-return-to-zero Code）就出现了，和 RZ 的区别就是 NRZ 是不需要归零的：
        NRZ 编码（Non-return-to-zero Code），不归零编码。

    这样，浪费的带宽又回来了，不过又丧失宝贵的自同步特性了，貌似我们又回到了原点，其实这个问题也是可以解决的，不过待会儿再讲，先看看什么是 NRZI：

    NRZI 编码（Non-Return-to-Zero Inverted Code）和 NRZ 的区别就是 NRZI 用信号的翻转代表一个逻辑，信号保持不变代表另外一个逻辑。

    USB 传输的编码就是 NRZI 格式，在 USB 中，电平翻转代表逻辑 0，电平不变代表逻辑1（NRZI 遇 0 翻转，遇 1 不变）：

        翻转的信号本身可以作为一种通知机制，而且可以看到，即使把 NRZI 的波形完全翻转，所代表的数据序列还是一样的，
        对于像 USB 这种通过差分线来传输的信号尤其方便.

现在再回到那个同步问题：
        的确，NRZ 和 NRZI 都没有自同步特性，但是可以用一些特殊的技巧解决。比如，先发送一个同步头，内容是 0101010 的方波，让接受者通过这个同步头计算出发送者的频率，然后再用这个频率来采样之后的数据信号，就可以了。
        在 USB 中，每个 USB 数据包，最开始都有个同步域（SYNC），这个域固定为 0000 0001，这个域通过 NRZI 编码之后，就是一串方波（复习下前面：NRZI 遇 0 翻转遇 1 不变），接受者可以用这个 SYNC 域来同步之后的数据信号。
        此外，因为在 USB 的 NRZI 编码下，逻辑 0 会造成电平翻转，所以接受者在接受数据的同时，根据接收到的翻转信号不断调整同步频率，保证数据传输正确.
        但是，这样还是会有一个问题，就是虽然接受者可以主动和发送者的频率匹配，但是两者之间总会有误差。假如数据信号是 1000 个逻辑1，经过 USB 的 NRZI 编码之后，就是很长一段没有变化的电平，在这种情况下，即使接受者的频率和发送者相差千分之一，就会造成把数据采样成 1001 个或者 999 个 1了。

        USB 对这个问题的解决办法，就是强制插 0，也就是传说中的 bit-stuffing，如果要传输的数据中有 7 个连续的 1，发送前就会在第 6 个 1 后面强制插入一个 0，让发送的信号强制出现翻转，从而强制接受者进行频率调整。接受者只要删除 6 个连续 1 之后的 0，就可以恢复原始的数据了。

        既然说编码，那就顺便把另一种极常用的编码也说一下把：曼彻斯特编码
        曼彻斯特（ Manchester ）码是一种双相码。用高电平到低电平的转换边表示 0 ，而用低电平到高高电平的转换边表示 1 。

注：以上关于电平的表示，具体环境或者不同教材给出的规定可能不同，但是原理相同！

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