摘 要： 針對實驗過程中出現(xiàn)的CRC誤碼，主要利用信號回流檢測方法對原理圖進行分析和改進，增加了上拉電容以縮短回流路徑使其到地，減少了彼此間的干擾，從而解決CRC誤碼。實驗結(jié)果表明，在單板的寬廣處多放一些小電容到地，能給信號增加一個較好的回流路徑，對于穩(wěn)定電源去除噪聲十分有益。
關(guān)鍵詞： 計算機網(wǎng)絡(luò)通信；誤碼；CRC；信號回流
在計算機網(wǎng)絡(luò)通信和系統(tǒng)工作過程中，由于信道上存在的各種復(fù)雜因素(如沖擊噪聲、脈沖噪聲、熱噪聲、串音和傳輸質(zhì)量等)的影響，信息在形成、存取、傳送過程中往往受到不同程度的干擾，嚴重時會造成誤碼，即接收端收到的信息與發(fā)送端發(fā)送的信息不一致，以致阻斷通信[1]。因此，應(yīng)該在接收端檢查所接收的數(shù)據(jù)是否正確?？刹捎枚喾N檢測方法，其中，循環(huán)冗余校驗碼CRC(Cyclic Redundancy Check)是目前在計算機網(wǎng)絡(luò)通信及儀表數(shù)據(jù)通信等方面應(yīng)用最為廣泛的一種校驗編碼方法，是一種強有力的檢測手段。
CRC是一種能力較強的檢錯、糾錯碼，并且實現(xiàn)編碼和檢碼的電路比較簡單，除了各種嵌入式儀表、變頻器等設(shè)備，還有一些數(shù)字型傳感器的輸出數(shù)據(jù)也提供CRC碼，如數(shù)字溫度傳感器DS18B20、集成溫濕度采集芯片SHT11等。此外，人們還將該技術(shù)用于計算機網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，收到了令人滿意的效果[2]。
本文結(jié)合實例，從信號回流的角度分析和改進原理圖，從而解決了CRC誤碼。
1 CRC檢驗原理
CRC是分組線性碼的分支，其主要應(yīng)用是二元碼組。CRC的基本思想是利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k位二進制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的監(jiān)督碼(即CRC碼)r位，并附在信息后邊，構(gòu)成一個新的二進制碼序列數(shù)共(k+r)位，最后發(fā)送出去。在接收端，則根據(jù)信息碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯。若不正確，則說明數(shù)據(jù)信息在傳輸過程中有誤碼，通常通過發(fā)送端重傳來校正錯誤，直至傳送正確為止。
任何一個由二進制位串組成的代碼可以和一個只含有0和1兩個系數(shù)的多項式建立一對一的關(guān)系。例如一個二進制代碼1011101，其對應(yīng)的多項式為x6+x4+x3 +x2+1。k為要發(fā)送的信息位位數(shù)，可對應(yīng)一個(k-1)次多項式K(x)，r位冗余位可對應(yīng)于一個(r-1)次多項式R(x)，由k位信息位后面加上r位冗余位組成的n=k+r位碼字則對應(yīng)于一個(n-1)次多項式：T(x)=xr×K(x)+R(x)。
在CRC校驗編碼時，由信息位產(chǎn)生冗余碼的編碼過程就是求余數(shù)R(x)的過程，CRC碼中通過找到一個特定的r次多項式G(x)(最高項xr的系數(shù)為1)來實現(xiàn)，用G(x)去除xr×K(x)，得到的余式就是R(x)。
CRC校驗是把要傳送的信息位串加上校驗和構(gòu)成的循環(huán)冗余校驗碼發(fā)送到接收方，接收方在接收到循環(huán)冗余碼后，將其除以生成多項式G(x)，若余數(shù)為0，則表示傳遞正確，否則就說明有錯[3]。
2 CRC誤碼
在EGFC16調(diào)試過程中，單板的FE電口在SmartBits發(fā)送業(yè)務(wù)內(nèi)容為8-0-s、8-f-s，在這種長連0長連1業(yè)務(wù)的情況下，會出現(xiàn)CRC誤碼。單板在啟動后，如果接收的業(yè)務(wù)內(nèi)容為8-0-s、8-f-s或者其他業(yè)務(wù)時，不會出現(xiàn)CRC誤碼。在出現(xiàn)誤碼的情況下，將業(yè)務(wù)內(nèi)容改成不造成CRC誤碼的業(yè)務(wù)也無濟于事，CRC誤碼會一直存在，除非將單板重新冷復(fù)位。
CRC誤碼在上述“8-0-s、8-f-s”業(yè)務(wù)的情況下并不是馬上出現(xiàn)CRC誤碼，而是需要經(jīng)過一定的時間。開始的時候出現(xiàn)的很少，只有一兩個，但是很快將會發(fā)生雪崩效應(yīng)，出現(xiàn)大量的CRC誤碼，業(yè)務(wù)可能因此而中斷。
上述是對CRC誤碼現(xiàn)象的描述，經(jīng)過長期的分析定位，通過實驗得出的數(shù)據(jù)曲線，可以看出，這從一個側(cè)面證明CRC誤碼一方面與電源的穩(wěn)定性有關(guān)系，另一方面和信號回流也有關(guān)系，而且與信號回流的關(guān)系更大，反而電源的不穩(wěn)定性對其影響并不大。
本文著重從信號回流的角度對CRC誤碼現(xiàn)象進行分析與解決。
3 信號回流的基礎(chǔ)知識
3.1 傳輸線
傳輸線等效模型如圖1所示，點P是傳輸線上任意點，作為虛擬分界面將傳輸線分開，從右往左看過去，R1、L1、C1分別是線路的等效電阻、電感、電容。R2是漏電流存在的情況下所體現(xiàn)的電阻，其阻值接近無限大；而傳輸線靜態(tài)電阻R1很小，也可忽略不計。這種情況下，傳輸線特征阻抗可以簡化為：Z0=(L1/C1)1/2，這是無損情況下的特征阻抗公式。
在P點，從A往B看，Z02相當于負載；從B往A看，Z01相當于信號源的內(nèi)阻。由于Z01=Z02，因此在P點沒有反射，也就是在同一根傳輸線上，只有特征阻抗沒有變化，那么就不會有反射。如果在PCB布板的過程中，傳輸線在某一處阻抗有變化，那么就會有反射的產(chǎn)生[4]。
3.2 信號反射
由上可知，對于傳輸線來說，如果負載阻抗與信號源內(nèi)阻的阻抗相等，則在該點不會反射，即可認為線路是匹配的。因此，在傳輸線內(nèi)部是不會發(fā)生信號反射的，而在傳輸線的兩端就會發(fā)生。
在接收端，以TTL電路為例，接收端是晶體管的基極，而基極電流是極其微弱的，因此，傳輸線的末端等效為一個無窮大的電阻RL。也就是說，負載電阻與傳輸線特征阻抗不匹配，信號在這個點將會發(fā)生全反射，反射波一直傳回源端。這時，如果源端內(nèi)阻與傳輸線阻抗不匹配，在源端會發(fā)生二次反射，如此反復(fù)n次反射。如果這個n次反射信號疊加到原先的信號上，將導致信號劣化[5]。
3.3 信號回流
任何一個信號最終都要形成一個閉環(huán)回路，如圖2所示。
對于一個交流信號來說，信號的回流總是選擇阻抗最小的回路作為回流，如果信號與回流信號所形成的面積越小，那么干擾和抗干擾能力就越好[6]。因為當回路面積越小，回路所能接收到的干擾就越少，同時向外輻射的就會越小。
4 CRC誤碼電路原理圖的分析與改進
4.1 改進前的原理圖
改進前的信號圖流程徑電路圖如圖3所示。根據(jù)傳輸線的理論，任何高速信號都需要一個回流平面。信號從左端到右端，信號完全匹配無反射，信號必然需要有回流路徑，接收端作為高阻到地電容在皮法級別，只能給信號的沿部分高頻分量提供回流，而對于較低頻的信號則需要通過上拉到VTT的電阻來回流，在沒有加回流電容的情況下，所有的信號都集中到了LP2995上來回流，部分通過放置在LP2995旁邊的一兩個小電容回流，部分需要通過LP2995到2.5 V來回流，這樣主要的回流路徑將會非常長，而且形成了較大的回流環(huán)路，增加了彼此間的干擾。DDR有64根數(shù)據(jù)線和幾十根地址線，必然會造成較大的串擾，從而很容易導致CRC誤碼現(xiàn)象發(fā)生。
4.1.1 33 Ω及50 Ω電阻的作用
若負載電阻與傳輸線特征阻抗不匹配，信號在這個點將會發(fā)生全反射，反射波一直傳回源端。這時，如果源端內(nèi)阻與傳輸線阻抗不匹配，在源端會發(fā)生二次反射，如此反復(fù)n次反射。如果這個n次反射信號疊加到原先的信號上，將導致信號劣化。
因而信號兩端都加了33 Ω的串阻以減小二次反射。吸收的原則就是讓源端的串阻加上源端內(nèi)阻(一般情況下，源端內(nèi)阻按照20 Ω左右來考慮，當然不同的芯片的管腳內(nèi)阻是不同的)的阻值正好和傳輸線特征阻抗相等。末端加50 Ω上拉電阻，起到電壓偏置和信號匹配的作用[7]。
4.1.2 LP2995的作用
LP2995主要作用是提供一個sink current和source current[8]。sink是指接收負載的電流，source是指要給負載提供電流。這正好是SSTL的VTT的供應(yīng)特性之一，而LP2995就是專門能夠提供這種sink和source功能的器件。LP2995的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
信號再輸出為1時，就是source output，向LP2995輸出電流；而當輸出為0時，就是sink output，此時，需要LP2995的VTT提供電流。
4.1.3 VTT的作用
SSTL比一般的TTL電平的信號傳輸速率要高得多，如果一個信號要高速傳輸，電壓幅度是不能太大的，否則上升沿就限制了它的速率。SSTL剛好采用末端匹配吸收全部信號，從而導致信號擺幅減掉了一半，這樣就減小了信號的擺幅，提高了傳輸速率。
圖5是DDR數(shù)據(jù)線的信號波形，信號的擺幅顯然正好降低到了1.25 V左右，中間有一個1.25 V的直流偏置，是由VTT來提供的。
4.2 改進的原理圖
由于LP2995作為一個LDO本身無法提供能量也無法蓄積能量，是不可能提供平穩(wěn)電壓的，它的主要作用只是提供一個sink current和source current。要想提供穩(wěn)定的電壓必須依賴于電容的蓄電能力。
電容在消除濾波的時候是有電流流過的，而ESR(等效串聯(lián)電阻)正好就相當于一個串聯(lián)在電容里面的電阻，必然會造成壓降，從而帶來濾波的效果降低，濾波特性變差。一般的大容量電容的ESR會比小容量的陶瓷電容大得多，這說明大的電容效果不是很好，而越小的電容越是能夠更快速地提供這種電流，因為ESR比較小。但是大電容有著更強的蓄積電源的能力。
因此，均勻地放置一些各式電容顯然效果會更好一些，所以可以在整個plane層放置10 μF、0.1 μF、0.01 μF和470 μF的電容，這樣無論是高頻的波動還是低頻的擾動都可以濾掉，而且這種并聯(lián)的方式本身就減小了ESR，更有利于信號的濾波。
根據(jù)上面的思想，為了解決CRC誤碼問題，本文在原來的原理圖中加上了回流電容到地。改進后的電路圖如圖6所示。
可以看到，信號可以通過電阻直接經(jīng)過小電容從地回流，主要的回流路徑很短，不會形成大的回流環(huán)路，也就減小了彼此間的干擾，減少了DDR數(shù)據(jù)線和地址線間的串擾，從而解決了CRC的誤碼問題。
針對EGFC16實踐調(diào)試過程中出現(xiàn)的CRC誤碼現(xiàn)象，本文先對CRC誤碼現(xiàn)象進行了全面的描述，由于實驗證實了這種CRC誤碼現(xiàn)象在很大程度上是由信號回流引起的，因此本文主要從信號回流的角度分析和改進電路，以解決CRC誤碼?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實生活中大多數(shù)電路問題都與信號回流有關(guān)系，所以在單板的寬廣處多放一些0.1 μF的電容到地，對于穩(wěn)定電源、去除噪聲以及給信號增加了一個較好的回流路徑是十分有益的。
參考文獻
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