跟李凡老師學(xué)FPGA擴(kuò)頻通信D01：串行通信基礎(chǔ)（課堂筆記）

用笨筆頭整理課堂筆記，用以備忘，溫故而知新。
整理文稿的細(xì)節(jié)處未能一一體現(xiàn)李凡老師講課精髓和獨(dú)特風(fēng)采，有待下一步補(bǔ)充完善。
感謝李凡老師博大精深的學(xué)識(shí)、孜孜不倦的教誨，并敬請(qǐng)李凡老師原諒本人拙劣的課堂筆記。

近期精彩課程安排如下圖。
實(shí)際執(zhí)行可能會(huì)有所調(diào)整，謹(jǐn)供參考。

從今天開始呢，我們進(jìn)入通信的課程。

FPGA的應(yīng)用，其中有很大一個(gè)比例，是用在通信上。
據(jù)說DSP的一些架構(gòu)，就是跟FPGA的Altera的通信的用戶有關(guān)。
所以說呢，F(xiàn)PGA非常重要的一個(gè)應(yīng)用方向，和通信密不可分。
通過這門課程的討論，我們來了解通信的一個(gè)基本的規(guī)則，基本的方法，工具，還有通信里面一個(gè)一個(gè)的技術(shù)。
我們通過像WiFi、藍(lán)牙，以及我們的移動(dòng)通信里面普遍應(yīng)用的擴(kuò)頻，我們做個(gè)討論。

我們雖然說的是通信，communication，但實(shí)際上呢，它的含義，不僅僅是跟信息的傳輸、收發(fā)直接關(guān)聯(lián)，像移動(dòng)通信、遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)通信、互聯(lián)網(wǎng)的通信，像巡航導(dǎo)彈，設(shè)備和設(shè)備之間的通信。

這些通信呢，我們可以用communication來概括，沒有問題。
但是呢，它也有更廣義的含義。它不僅僅指的是數(shù)據(jù)收發(fā)端的通信，也指的是邏輯和邏輯之間，芯片和芯片之間，信息的交互。

我們今天要說的通信，指的是串行通信。
什么是串行的？
什么是并行的呢？
我們用過并行打印機(jī)，我們知道，一端通過并行電纜接到電腦上。
它可以在同一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍發(fā)送總線信號(hào)。

我們現(xiàn)在介紹的是串行通信。
所謂串行，就是在單位時(shí)間內(nèi)，只有一個(gè)比特信息的傳輸。
而并行呢，是在指定的時(shí)刻，會(huì)有若干個(gè)比特被發(fā)送。
我們現(xiàn)在的通信，大多數(shù)都是建立在串行通信的基礎(chǔ)上。
比方說，像光纖通信。

衛(wèi)星也是，微波也是。
為什么我們?cè)谡鎸?shí)的通信系統(tǒng)里面，大多都用串行通信？

其實(shí)理由很簡單，一，有一個(gè)成本的問題。并行打印機(jī)，如果就在我們邊上，我們用一個(gè)并行電纜就行了。
但是光纜不同了，像海底光纜，一走幾百公里，它一個(gè)信道就是一個(gè)成本。
這是一個(gè)理由。
還有，像衛(wèi)星通信，在指定的頻道上，特定的時(shí)刻，只有一個(gè)比特的加載。
如果要想同時(shí)加載多個(gè)比特的話，你會(huì)用多個(gè)頻道來傳輸，這樣的話，衛(wèi)星的收發(fā)器的成本就要提升。
限于成本，衛(wèi)星的收發(fā)器限制在單一的頻道上發(fā)送數(shù)據(jù)，那么指定的時(shí)刻，只可能是一個(gè)比特。

所以說衛(wèi)星通信只可能是串行通信。

微波通信也是如此。
這些通信都涉及到，在單位時(shí)間，只有一個(gè)比特的加載，就是串行通信。
另外呢，我們說有第二個(gè)理由，更重要的理由，因?yàn)楝F(xiàn)在通信的速度是越來越高，越來越快。
并行通信看起來很快，一個(gè)比特可以有多個(gè)信號(hào)的加載，但是它有一個(gè)非常嚴(yán)峻的問題，就是窗口問題，當(dāng)我們的并行總線有16根線的時(shí)候，在一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍下面，16根線都會(huì)翻轉(zhuǎn)。
必然有的翻轉(zhuǎn)快，有的翻轉(zhuǎn)慢。
這16根線必須要全部翻轉(zhuǎn)完了以后，這才得到有效的數(shù)據(jù)，下一拍也是如此。
這樣的話呢，就會(huì)形成一個(gè)窗口。
最后一個(gè)比特，構(gòu)成了有效窗口的左邊界，以及窗口的第一個(gè)比特，構(gòu)成了這個(gè)窗口的右邊界。

窗口的左邊界和窗口的右邊界，構(gòu)成了窗口的寬度。
有效窗口的寬度，就一定會(huì)小于時(shí)鐘周期。使得并行的高速傳輸受限。
在其它一些高端課程，我們也會(huì)體驗(yàn)到窗口效應(yīng)。
正是由于這些原因，大多數(shù)的通信都是串行通信。
說到通信，我們就不可避免地要提到一個(gè)人。
現(xiàn)代通信，都是數(shù)字通信。在沒有電子設(shè)備之前，人類的通信主要靠喊。
還有信鴿、烽火、狼煙等等。
但是有了電子管以后，馬可尼的第一次跨洋通信，電報(bào)通信。
用摩爾斯碼來傳送。
它仍然是模擬的。
再后來，愛迪生發(fā)明了電話之后，仍然是用模擬的方法來傳輸。

是模擬的信道。
這類通信仍然是稱之為模擬通信。
到了二戰(zhàn)快結(jié)束的時(shí)候，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的通信也得到了長足的發(fā)展。
格雷碼的發(fā)明就是在跟日本人的島嶼之爭的時(shí)候，用于通信的加密。
它是做成一個(gè)像示波器的加密體系。
一個(gè)示波管里面就是一個(gè)加密的芯片。
格雷碼的示波管發(fā)明出來以后，被日本人俘虜之前，趕緊把示波管給摘了。

這個(gè)呢，我們就必須要說到，數(shù)據(jù)通信的創(chuàng)始人、奠基人，就是美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的工作者，其中最著名的就是香農(nóng)。

大家都知道香農(nóng)定理。

打開文檔。
這是原文。
這是1948年發(fā)表的，在貝爾實(shí)驗(yàn)室。
它仍然有它的意義。
這篇論文里面，香農(nóng)第一次用數(shù)學(xué)的方法來解釋了數(shù)據(jù)通信。

標(biāo)題是通信的數(shù)學(xué)原理。
其中提到著名的香農(nóng)定理。
一般通信系統(tǒng)的架構(gòu)圖。
它有一個(gè)信息源，然后變?yōu)橄?，變成了電信?hào)了，就是把原始的信息變成數(shù)字信號(hào)了。

然后通過一個(gè)發(fā)送器，變成了signal，物理的信號(hào)。
或者是高電平，或者是低電平。
中間小框是信道，channel。
信道必然會(huì)受到噪聲源的干擾，變成接收端的signal。
接收端的signal，和發(fā)送端的signal相比，就是有加噪。

接收器要將被噪聲干擾的信號(hào)，還原成原始的message，message就是已經(jīng)變成數(shù)字量了。
回到最終的目標(biāo)。
這個(gè)架構(gòu)到今天還在用。

還有一些相關(guān)的文檔，都很經(jīng)典。
用數(shù)學(xué)模型來解釋信道的速度，信道的特征，信道的帶寬。

我們的通信課程分為兩個(gè)部分，第一是基本的原理。第二部分是擴(kuò)頻。

發(fā)送器的內(nèi)部，和接收器的內(nèi)部，它們不必要串行，它們可以并行。
在發(fā)送前，將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)，稱之為串化器。
對(duì)接收器而言，把串行數(shù)據(jù)組裝成并行數(shù)據(jù)的過程，稱之為并化器。
串化器和并化器是現(xiàn)代高速通信的核心，或者說IP、專利。
縮寫為SERDES，串行收發(fā)器。

現(xiàn)代的通信，可以做到好幾個(gè)G。
我們現(xiàn)在內(nèi)核的邏輯，在cyclone IV下面可以到400、500、600M。
但是它高速通信的時(shí)候，可以到1個(gè)G以上，2、3個(gè)G。
這種程度怎么實(shí)現(xiàn)的呢？
內(nèi)核邏輯能夠跑到500M、600M，就是通過這個(gè)SERDES，跑到1個(gè)G以上。
串行收發(fā)器，這是專用電路。

我們給大家解釋串行通信的基本規(guī)律。
第一，在串行通道上，必然有串化器、并化器。
第二，如果是一個(gè)并行的數(shù)據(jù)，沒有問題。
我們是通過物理的位置來組織。
哪個(gè)比特高，哪個(gè)比特低。
可是這是一個(gè)串行的。
一個(gè)串行的過程在信道上，一定是一個(gè)比特連著一個(gè)比特。

并轉(zhuǎn)串和串轉(zhuǎn)并的時(shí)候，都有這個(gè)問題。

現(xiàn)在我們要把B0、B1、B2、B3，轉(zhuǎn)成串行。

依次是D0、D1、D-1，按順序發(fā)過來的。
串行通信就必然會(huì)有這個(gè)問題。
如果我們看一些手冊(cè)，大量的IP核，它的一些篇幅都是用于對(duì)齊的。

單位時(shí)間在指定時(shí)刻只有一個(gè)比特被加載。
看起來就像一個(gè)冰糖葫蘆串。

我們要知道比特的邊界。
還有一個(gè)更嚴(yán)峻的問題。

我們知道，串行通信有兩個(gè)特點(diǎn)。
第一個(gè)，串行通信要有串化器，要有解串器。
第二個(gè)，邊界的問題。
有找邊界，稱之為對(duì)齊的問題。
這個(gè)問題更嚴(yán)峻，或者說更現(xiàn)代化。
在發(fā)送端，串行信息是以串行的形式發(fā)出來的。

那么，必然會(huì)有時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。發(fā)送端會(huì)有發(fā)送端的時(shí)鐘。
這是發(fā)送的時(shí)鐘。
我們學(xué)過同步電路，知道這個(gè)signal一定會(huì)踩著沿翻轉(zhuǎn)。

到接收端。
發(fā)送和接收都是同步電路。

Tclk和Rclk可能是相同時(shí)鐘，可能是相關(guān)時(shí)鐘。
但是對(duì)一個(gè)正常的通信系統(tǒng)而言，它做不到。
如果是衛(wèi)星通信，一個(gè)在天上，一個(gè)在地上。
如果是遠(yuǎn)洋通信，一個(gè)在亞洲，一個(gè)在歐洲。
怎么可能再做一條時(shí)鐘線呢？

一般來說，如果是無線通信，我們的手機(jī)，跟基站之間不會(huì)有時(shí)鐘的連線。
都是無線的。那么Tclk和Rclk存在各種各樣的關(guān)系。
無論是什么關(guān)系，對(duì)接收器而言，時(shí)鐘都要能有效地捕獲signal。
怎樣捕獲呢？
如果在上升沿之前和上升沿之后，所需要的穩(wěn)定時(shí)間段得不到保證的話，就會(huì)發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，就有可能導(dǎo)致這次傳輸?shù)氖　?/p>

一定要保證，在接收端的時(shí)候，在時(shí)鐘上升沿，建立時(shí)間之前，保持時(shí)間之后，這個(gè)signal沒有反轉(zhuǎn)。

時(shí)鐘的頻率要一致。
不一致，這個(gè)signal就沒法還原了。
所以說，兩個(gè)頻率要相同。
還要保證接收端的時(shí)鐘能夠正確地捕獲signal。
這就帶來一個(gè)問題，這兩個(gè)時(shí)鐘怎么做？
比方說，像我們RS232的通信。
那個(gè)通信，并沒有給出時(shí)鐘信號(hào)，通信的時(shí)候，在發(fā)送端和接收端之間并不需要發(fā)送時(shí)鐘的通道。
它只是用一個(gè)單端信號(hào)發(fā)送。

它只要約定時(shí)鐘即可，我約定時(shí)鐘9600，接收時(shí)鐘9600。
我們記不記得，使用16倍的波特率，在捕獲的時(shí)候，這個(gè)中心點(diǎn)偏差1/16，問題不大。
這是在低速情況之下。所以說在低速的情況之下，發(fā)送和接收時(shí)鐘，這兩者是用的約定的方式來進(jìn)行時(shí)鐘的捕獲。

由于內(nèi)容較多，接下來的分享會(huì)在評(píng)論區(qū)更新，謝謝。