NRZ与NRZI编码

RZ 编码(Return-to-zero Co de),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:

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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:

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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:

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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!

### NRZI 编码原理 反向不归零编码(Non-Return to Zero Inverted,简称 NRZI)是一种基带信号编码方式,它是非归零编码NRZ)的一种变体。NRZI 编码的特点是通过信号电平的反转或保持不变来表示数据,而不是简单地维持一个固定的高电平或低电平[^2]。 具体来说,NRZI 使用信号的翻转代表一个逻辑状态,而信号保持不变则代表另一个逻辑状态。在某些应用场景中,比如 USB 传输协议里,电平翻转被用来表示逻辑 0,而电平保持不变表示逻辑 1。这种机制有助于接收端根据接收到的翻转信号不断调整同步频率,从而保证数据传输的准确性[^3]。 ### 应用实例 #### USB 数据传输中的应用 USB 协议采用 NRZI 编码方式进行数据传输。在这种情况下,当遇到逻辑 0 时会发生电平翻转;而对于逻辑 1,则不会发生任何改变。这种方式不仅能够有效利用带宽资源,还允许接收设备依据信号的变化特征来进行时钟恢复,进而实现更稳定的数据交换过程[^5]。 ```python def encode_NRZI(bitstream): encoded_signal = [] current_level = False for bit in bitstream: if int(bit) == 0: current_level = not current_level encoded_signal.append(current_level) return ['High' if level else 'Low' for level in encoded_signal] # Example usage bitstream = "1010" print(f"Original Bit Stream: {bitstream}") encoded_output = encode_NRZI(bitstream) print(f"Encoded Signal Levels (for each bit): {' '.join(encoded_output)}") ```
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