nrzi 编码，及其发展

NRZI 编码及其发展 NRZI 编码是一种自同步信号编码方式，广泛应用于串行总线通信中，如 UART、I2C、SPI、USB 等。NRZI 编码的出现是为了解决串行总线通信中的同步问题。 在串行总线通信中，发送者和接收者之间需要保持同步，以便正确地传输和接收数据。然而，发送者和接收者运行的频率可能不同，导致信号的同步问题。一个解决办法是附加一个时钟信号线，用来同步两端的传输。例如，I2C 通信协议使用 SDA 线传输数据，SCL 线传输同步时钟信号。 然而，附加时钟信号线增加了系统的复杂度和成本。因此，RZ 编码（Return-to-zero Code）出现了。RZ 编码使用正电平和负电平来表示逻辑 1 和逻辑 0，并在每个数据位后返回零电平。这样，接收者可以在信号归零后采样，实现自同步。 然而，RZ 编码也有缺点，大部分的数据带宽都用来传输“归零”，浪费了带宽。于是，NRZ 编码（Non-return-to-zero Code）出现了。NRZ 编码不需要归零步骤，节省了带宽，但是丧失了自同步特性。 NRZI 编码（Non-Return-to-Zero Inverted Code）是 NRZ 编码的一种变种。NRZI 编码使用信号的翻转来表示一个逻辑，信号保持不变来表示另一个逻辑。USB 传输的编码就是 NRZI 格式，电平翻转代表逻辑 0，电平不变代表逻辑 1。 NRZI 编码解决了同步问题，但仍然需要一些特殊的技巧来实现同步。例如，发送一个同步头，内容是 0101010 的方波，让接收者通过这个同步头计算出发送者的频率，然后用这个频率来采样之后的数据信号。 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。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。 然而，NRZI 编码仍然存在一些问题，例如频率误差问题。如果数据信号是 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。 曼彻斯特编码（Manchester Code）是一种双相码，用高电平到低电平的转换边表示 0，低电平到高高电平的转换边表示 1。这也是串行总线通信中的一种常用的编码方式。