跟李凡老师学FPGA扩频通信D01：串行通信基础（课堂笔记）

跟李凡老师学FPGA扩频通信D01：串行通信基础（课堂笔记）

用笨笔头整理课堂笔记，用以备忘，温故而知新。
整理文稿的细节处未能一一体现李凡老师讲课精髓和独特风采，有待下一步补充完善。
感谢李凡老师博大精深的学识、孜孜不倦的教诲，并敬请李凡老师原谅本人拙劣的课堂笔记。

近期精彩课程安排如下图。
实际执行可能会有所调整，谨供参考。

从今天开始呢，我们进入通信的课程。

FPGA的应用，其中有很大一个比例，是用在通信上。
据说DSP的一些架构，就是跟FPGA的Altera的通信的用户有关。
所以说呢，FPGA非常重要的一个应用方向，和通信密不可分。
通过这门课程的讨论，我们来了解通信的一个基本的规则，基本的方法，工具，还有通信里面一个一个的技术。
我们通过像WiFi、蓝牙，以及我们的移动通信里面普遍应用的扩频，我们做个讨论。

我们虽然说的是通信，communication，但实际上呢，它的含义，不仅仅是跟信息的传输、收发直接关联，像移动通信、远程的数据通信、互联网的通信，像巡航导弹，设备和设备之间的通信。

这些通信呢，我们可以用communication来概括，没有问题。
但是呢，它也有更广义的含义。它不仅仅指的是数据收发端的通信，也指的是逻辑和逻辑之间，芯片和芯片之间，信息的交互。

我们今天要说的通信，指的是串行通信。
什么是串行的？
什么是并行的呢？
我们用过并行打印机，我们知道，一端通过并行电缆接到电脑上。
它可以在同一个时钟节拍发送总线信号。

我们现在介绍的是串行通信。
所谓串行，就是在单位时间内，只有一个比特信息的传输。
而并行呢，是在指定的时刻，会有若干个比特被发送。
我们现在的通信，大多数都是建立在串行通信的基础上。
比方说，像光纤通信。

卫星也是，微波也是。
为什么我们在真实的通信系统里面，大多都用串行通信？

其实理由很简单，一，有一个成本的问题。并行打印机，如果就在我们边上，我们用一个并行电缆就行了。
但是光缆不同了，像海底光缆，一走几百公里，它一个信道就是一个成本。
这是一个理由。
还有，像卫星通信，在指定的频道上，特定的时刻，只有一个比特的加载。
如果要想同时加载多个比特的话，你会用多个频道来传输，这样的话，卫星的收发器的成本就要提升。
限于成本，卫星的收发器限制在单一的频道上发送数据，那么指定的时刻，只可能是一个比特。

所以说卫星通信只可能是串行通信。

微波通信也是如此。
这些通信都涉及到，在单位时间，只有一个比特的加载，就是串行通信。
另外呢，我们说有第二个理由，更重要的理由，因为现在通信的速度是越来越高，越来越快。
并行通信看起来很快，一个比特可以有多个信号的加载，但是它有一个非常严峻的问题，就是窗口问题，当我们的并行总线有16根线的时候，在一个时钟节拍下面，16根线都会翻转。
必然有的翻转快，有的翻转慢。
这16根线必须要全部翻转完了以后，这才得到有效的数据，下一拍也是如此。
这样的话呢，就会形成一个窗口。
最后一个比特，构成了有效窗口的左边界，以及窗口的第一个比特，构成了这个窗口的右边界。

窗口的左边界和窗口的右边界，构成了窗口的宽度。
有效窗口的宽度，就一定会小于时钟周期。使得并行的高速传输受限。
在其它一些高端课程，我们也会体验到窗口效应。
正是由于这些原因，大多数的通信都是串行通信。
说到通信，我们就不可避免地要提到一个人。
现代通信，都是数字通信。在没有电子设备之前，人类的通信主要靠喊。
还有信鸽、烽火、狼烟等等。
但是有了电子管以后，马可尼的第一次跨洋通信，电报通信。
用摩尔斯码来传送。
它仍然是模拟的。
再后来，爱迪生发明了电话之后，仍然是用模拟的方法来传输。

是模拟的信道。
这类通信仍然是称之为模拟通信。
到了二战快结束的时候，美国贝尔实验室的通信也得到了长足的发展。
格雷码的发明就是在跟日本人的岛屿之争的时候，用于通信的加密。
它是做成一个像示波器的加密体系。
一个示波管里面就是一个加密的芯片。
格雷码的示波管发明出来以后，被日本人俘虏之前，赶紧把示波管给摘了。

这个呢，我们就必须要说到，数据通信的创始人、奠基人，就是美国贝尔实验室的工作者，其中最著名的就是香农。

大家都知道香农定理。

打开文档。
这是原文。
这是1948年发表的，在贝尔实验室。
它仍然有它的意义。
这篇论文里面，香农第一次用数学的方法来解释了数据通信。

标题是通信的数学原理。
其中提到著名的香农定理。
一般通信系统的架构图。
它有一个信息源，然后变为消息，变成了电信号了，就是把原始的信息变成数字信号了。

然后通过一个发送器，变成了signal，物理的信号。
或者是高电平，或者是低电平。
中间小框是信道，channel。
信道必然会受到噪声源的干扰，变成接收端的signal。
接收端的signal，和发送端的signal相比，就是有加噪。

接收器要将被噪声干扰的信号，还原成原始的message，message就是已经变成数字量了。
回到最终的目标。
这个架构到今天还在用。

还有一些相关的文档，都很经典。
用数学模型来解释信道的速度，信道的特征，信道的带宽。

我们的通信课程分为两个部分，第一是基本的原理。第二部分是扩频。

发送器的内部，和接收器的内部，它们不必要串行，它们可以并行。
在发送前，将并行数据转化成串行数据，称之为串化器。
对接收器而言，把串行数据组装成并行数据的过程，称之为并化器。
串化器和并化器是现代高速通信的核心，或者说IP、专利。
缩写为SERDES，串行收发器。

现代的通信，可以做到好几个G。
我们现在内核的逻辑，在cyclone IV下面可以到400、500、600M。
但是它高速通信的时候，可以到1个G以上，2、3个G。
这种程度怎么实现的呢？
内核逻辑能够跑到500M、600M，就是通过这个SERDES，跑到1个G以上。
串行收发器，这是专用电路。

我们给大家解释串行通信的基本规律。
第一，在串行通道上，必然有串化器、并化器。
第二，如果是一个并行的数据，没有问题。
我们是通过物理的位置来组织。
哪个比特高，哪个比特低。
可是这是一个串行的。
一个串行的过程在信道上，一定是一个比特连着一个比特。

并转串和串转并的时候，都有这个问题。

现在我们要把B0、B1、B2、B3，转成串行。

依次是D0、D1、D-1，按顺序发过来的。
串行通信就必然会有这个问题。
如果我们看一些手册，大量的IP核，它的一些篇幅都是用于对齐的。

单位时间在指定时刻只有一个比特被加载。
看起来就像一个冰糖葫芦串。

我们要知道比特的边界。
还有一个更严峻的问题。

我们知道，串行通信有两个特点。
第一个，串行通信要有串化器，要有解串器。
第二个，边界的问题。
有找边界，称之为对齐的问题。
这个问题更严峻，或者说更现代化。
在发送端，串行信息是以串行的形式发出来的。

那么，必然会有时钟驱动。发送端会有发送端的时钟。
这是发送的时钟。
我们学过同步电路，知道这个signal一定会踩着沿翻转。

到接收端。
发送和接收都是同步电路。

Tclk和Rclk可能是相同时钟，可能是相关时钟。
但是对一个正常的通信系统而言，它做不到。
如果是卫星通信，一个在天上，一个在地上。
如果是远洋通信，一个在亚洲，一个在欧洲。
怎么可能再做一条时钟线呢？

一般来说，如果是无线通信，我们的手机，跟基站之间不会有时钟的连线。
都是无线的。那么Tclk和Rclk存在各种各样的关系。
无论是什么关系，对接收器而言，时钟都要能有效地捕获signal。
怎样捕获呢？
如果在上升沿之前和上升沿之后，所需要的稳定时间段得不到保证的话，就会发生亚稳态，就有可能导致这次传输的失败。

一定要保证，在接收端的时候，在时钟上升沿，建立时间之前，保持时间之后，这个signal没有反转。

时钟的频率要一致。
不一致，这个signal就没法还原了。
所以说，两个频率要相同。
还要保证接收端的时钟能够正确地捕获signal。
这就带来一个问题，这两个时钟怎么做？
比方说，像我们RS232的通信。
那个通信，并没有给出时钟信号，通信的时候，在发送端和接收端之间并不需要发送时钟的通道。
它只是用一个单端信号发送。

它只要约定时钟即可，我约定时钟9600，接收时钟9600。
我们记不记得，使用16倍的波特率，在捕获的时候，这个中心点偏差1/16，问题不大。
这是在低速情况之下。所以说在低速的情况之下，发送和接收时钟，这两者是用的约定的方式来进行时钟的捕获。

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