USB 之传输编码格式 NRZI 介绍

NRZI （Non-Return-to-Zero Inerted code） 非归零翻转编码，之前，我先稍微记录一下他的前身

RZ 编码（Return- to - zero coding）

　　RZ 编码，简单的来说，就是在每一位普通的编码后面加了一个零电平。所以叫做归零编码，正电平代表1，后面再接一个0电平，告诉接收器该同步了，负电平代表0，然后又接一个0电平。 如下图所示。

　　可以看到，每一位后面都接了一位0电平，所以接收器在接收到 0 以后采样即可，这样就不用单独的时钟信号，实际上，RZ编码就相当于把时钟信号用 0 编码在数据之内，这样的信号也叫自同步（self-clocking）信号。 这样的做法虽然在物理上少了一根时钟线，但是在带宽上确有一大部分都用在归零上面了。

第二种演变，去掉归零 NRZ （Non - Return - to - Zero - code）编码，就是讲 RZ 编码的归零去掉

　　NRZ编码既是将逻辑1编码作为一个DC电平，逻辑0做为另一个DC电平。它与RZ码的区别就是它不用归零，也就是说，一个周期可以全部用来传输数据，这样传输的带宽就可以完全利用。一般常见的带有时钟线的传输协议都是使用NRZ编码或者差分的NRZ编码。因此，使用NRZ编码若想传输高速同步数据，基本上都要带有时钟线，因为本身NRZ编码无法传递时钟信号。但在低速异步传输下可以不存在时钟线，但在通信前，双方设备要约定好通信波特率，例如UART。

NRZ一般用于设备内的信号传输，对于串行传输，它有许多缺点：

（1）数据本身不携带时钟信息，因此不能自定时（即这样做虽然我们带宽不浪费了，但是我们的时钟线的同步信号又要另外给。）；此外，一个全是1或全是0的长串编码结果就是一个固定的电平，没有跳变。

（2）它的DC分量随着数据流内容的变化而变化，低频内容往往占主导地位。

        由于这些原因，除了低速短距离通讯，比如SPI等 外，NRZ很少用于串行传输。

第三种演变，NRZI（Non - Return - to - Zero - Inverted - code） 非归零反相编码

　　和NRZ 编码不同的是，NRZI 编码利用的电平的翻转来代表一个逻辑，当前电平相对于前一个电平不变代表0，当前电平相对于前一个电平相反代表1， USB 的传输就是用的 NRZI 编码格式，在USB 中，电平翻转代表逻辑1，电平不变代表逻辑0。限定最大0的数目，NRZI就可以实现自定时能力。比如，将全0的同步码反向，于是产生连续的跳变，这样便于PLL锁定。NRZI频谱依然有一个相对较高的低频分量，且它的直流分量也不是自由的（反转用0或是1，并不是一定的）。

 

 

数据同步问题

　　NRZ 和 NRZI 都没有同步的特性，但是，可以用一些比较特殊的技巧来解决，比如，先发送一个同步头，内容是0101010, 让接收着通过这个同步头来计算发出的频率，然后再用这个频率去接收之后的数据信号。

　　在USB 中，每一个USB的数据包，最开始的时候都有一个同步域，这个域定义为 0000 0001，这个域通过 NRZI 编码后，就是一个正负正负的方波，接收者可以通过这个方波计算频率，然后同步后面的数据。

　　此外，因为在USB的NRZI编码下，逻辑1会造成电平翻转，所以接受者在接收数据时，根据接收的翻转信号调整频率，保证数据传输正确。

　　但是，这样还会有一个问题，接收者可以主动和发送者之间频率匹配，但是两者之间总会有误差，假如数据是1000个逻辑0，经过 NRZI 编码后，很长时间都是同一个电平，这种情况下，即是接收者和发送者之间的频率相差千分之一，就是造成采样 999 个0或者是1001 个0。

　　USB 对这种问题的解决方法就是强制插一个1，规定为传输6个0后在数据中插入一个1，即发送前就会在第6个0后面强制插入一个1，就让发送的信号强制出现翻转，从而强制接受者调整频率，接受者只要删除6个1之后的那个0，就可以恢复原有的数据。