跟李凡老師學FPGA擴頻通信D01：串行通信基礎（課堂筆記）

用笨筆頭整理課堂筆記，用以備忘，溫故而知新。
整理文稿的細節處未能一一體現李凡老師講課精髓和獨特風采，有待下一步補充完善。
感謝李凡老師博大精深的學識、孜孜不倦的教誨，并敬請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。
實際執行可能會有所調整，謹供參考。

從今天開始呢，我們進入通信的課程。

FPGA的應用，其中有很大一個比例，是用在通信上。
據說DSP的一些架構，就是跟FPGA的Altera的通信的用戶有關。
所以說呢，FPGA非常重要的一個應用方向，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基本的規則，基本的方法，工具，還有通信里面一個一個的技術。
我們通過像WiFi、藍牙，以及我們的移動通信里面普遍應用的擴頻，我們做個討論。

我們雖然說的是通信，communication，但實際上呢，它的含義，不僅僅是跟信息的傳輸、收發直接關聯，像移動通信、遠程的數據通信、互聯網的通信，像巡航導彈，設備和設備之間的通信。

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。它不僅僅指的是數據收發端的通信，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，我們知道，一端通過并行電纜接到電腦上。
它可以在同一個時鐘節拍發送總線信號。

我們現在介紹的是串行通信。
所謂串行，就是在單位時間內，只有一個比特信息的傳輸。
而并行呢，是在指定的時刻，會有若干個比特被發送。
我們現在的通信，大多數都是建立在串行通信的基礎上。
比方說，像光纖通信。

衛星也是，微波也是。
為什么我們在真實的通信系統里面，大多都用串行通信？

其實理由很簡單，一，有一個成本的問題。并行打印機，如果就在我們邊上，我們用一個并行電纜就行了。
但是光纜不同了，像海底光纜，一走幾百公里，它一個信道就是一個成本。
這是一個理由。
還有，像衛星通信，在指定的頻道上，特定的時刻，只有一個比特的加載。
如果要想同時加載多個比特的話，你會用多個頻道來傳輸，這樣的話，衛星的收發器的成本就要提升。
限于成本，衛星的收發器限制在單一的頻道上發送數據，那么指定的時刻，只可能是一個比特。

所以說衛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，在單位時間，只有一個比特的加載，就是串行通信。
另外呢，我們說有第二個理由，更重要的理由，因為現在通信的速度是越來越高，越來越快。
并行通信看起來很快，一個比特可以有多個信號的加載，但是它有一個非常嚴峻的問題，就是窗口問題，當我們的并行總線有16根線的時候，在一個時鐘節拍下面，16根線都會翻轉。
必然有的翻轉快，有的翻轉慢。
這16根線必須要全部翻轉完了以后，這才得到有效的數據，下一拍也是如此。
這樣的話呢，就會形成一個窗口。
最后一個比特，構成了有效窗口的左邊界，以及窗口的第一個比特，構成了這個窗口的右邊界。

窗口的左邊界和窗口的右邊界，構成了窗口的寬度。
有效窗口的寬度，就一定會小于時鐘周期。使得并行的高速傳輸受限。
在其它一些高端課程，我們也會體驗到窗口效應。
正是由于這些原因，大多數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人。
現代通信，都是數字通信。在沒有電子設備之前，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，電報通信。
用摩爾斯碼來傳送。
它仍然是模擬的。
再后來，愛迪生發明了電話之后，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。
到了二戰快結束的時候，美國貝爾實驗室的通信也得到了長足的發展。
格雷碼的發明就是在跟日本人的島嶼之爭的時候，用于通信的加密。
它是做成一個像示波器的加密體系。
一個示波管里面就是一個加密的芯片。
格雷碼的示波管發明出來以后，被日本人俘虜之前，趕緊把示波管給摘了。

這個呢，我們就必須要說到，數據通信的創始人、奠基人，就是美國貝爾實驗室的工作者，其中最著名的就是香農。

大家都知道香農定理。

打開文檔。
這是原文。
這是1948年發表的，在貝爾實驗室。
它仍然有它的意義。
這篇論文里面，香農第一次用數學的方法來解釋了數據通信。

標題是通信的數學原理。
其中提到著名的香農定理。
一般通信系統的架構圖。
它有一個信息源，然后變為消息，變成了電信號了，就是把原始的信息變成數字信號了。

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

接收器要將被噪聲干擾的信號，還原成原始的message，message就是已經變成數字量了。
回到最終的目標。
這個架構到今天還在用。

還有一些相關的文檔，都很經典。
用數學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部分，第一是基本的原理。第二部分是擴頻。

發送器的內部，和接收器的內部，它們不必要串行，它們可以并行。
在發送前，將并行數據轉化成串行數據，稱之為串化器。
對接收器而言，把串行數據組裝成并行數據的過程，稱之為并化器。
串化器和并化器是現代高速通信的核心，或者說IP、專利。
縮寫為SERDES，串行收發器。

現代的通信，可以做到好幾個G。
我們現在內核的邏輯，在cyclone IV下面可以到400、500、600M。
但是它高速通信的時候，可以到1個G以上，2、3個G。
這種程度怎么實現的呢？
內核邏輯能夠跑到500M、600M，就是通過這個SERDES，跑到1個G以上。
串行收發器，這是專用電路。

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

并轉串和串轉并的時候，都有這個問題。

現在我們要把B0、B1、B2、B3，轉成串行。

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

單位時間在指定時刻只有一個比特被加載。
看起來就像一個冰糖葫蘆串。

我們要知道比特的邊界。
還有一個更嚴峻的問題。

我們知道，串行通信有兩個特點。
第一個，串行通信要有串化器，要有解串器。
第二個，邊界的問題。
有找邊界，稱之為對齊的問題。
這個問題更嚴峻，或者說更現代化。
在發送端，串行信息是以串行的形式發出來的。

那么，必然會有時鐘驅動。發送端會有發送端的時鐘。
這是發送的時鐘。
我們學過同步電路，知道這個signal一定會踩著沿翻轉。

到接收端。
發送和接收都是同步電路。

Tclk和Rclk可能是相同時鐘，可能是相關時鐘。
但是對一個正常的通信系統而言，它做不到。
如果是衛星通信，一個在天上，一個在地上。
如果是遠洋通信，一個在亞洲，一個在歐洲。
怎么可能再做一條時鐘線呢？

一般來說，如果是無線通信，我們的手機，跟基站之間不會有時鐘的連線。
都是無線的。那么Tclk和Rclk存在各種各樣的關系。
無論是什么關系，對接收器而言，時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，所需要的穩定時間段得不到保證的話，就會發生亞穩態，就有可能導致這次傳輸的失敗。

一定要保證，在接收端的時候，在時鐘上升沿，建立時間之前，保持時間之后，這個signal沒有反轉。

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

它只要約定時鐘即可，我約定時鐘9600，接收時鐘9600。
我們記不記得，使用16倍的波特率，在捕獲的時候，這個中心點偏差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，發送和接收時鐘，這兩者是用的約定的方式來進行時鐘的捕獲。

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