摘 要： 針對實驗過程中出現的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，對于穩定電源去除噪聲十分有益。
關鍵詞： 計算機網絡通信；誤碼；CRC；信號回流
在計算機網絡通信和系統工作過程中，由于信道上存在的各種復雜因素(如沖擊噪聲、脈沖噪聲、熱噪聲、串音和傳輸質量等)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送端發送的信息不一致，以致阻斷通信[1]。因此，應該在接收端檢查所接收的數據是否正確?？刹捎枚喾N檢測方法，其中，循環冗余校驗碼CRC(Cyclic Redundancy Check)是目前在計算機網絡通信及儀表數據通信等方面應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、變頻器等設備，還有一些數字型傳感器的輸出數據也提供CRC碼，如數字溫度傳感器DS18B20、集成溫濕度采集芯片SHT11等。此外，人們還將該技術用于計算機網絡通信和數據通信系統中，收到了令人滿意的效果[2]。
本文結合實例，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，其主要應用是二元碼組。CRC的基本思想是利用線性編碼理論，在發送端根據要傳送的k位二進制碼序列，以一定的規則產生一個校驗用的監督碼(即CRC碼)r位，并附在信息后邊，構成一個新的二進制碼序列數共(k+r)位，最后發送出去。在接收端，則根據信息碼和CRC碼之間所遵循的規則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯。若不正確，則說明數據信息在傳輸過程中有誤碼，通常通過發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1兩個系數的多項式建立一對一的關系。例如一個二進制代碼1011101，其對應的多項式為x6+x4+x3 +x2+1。k為要發送的信息位位數，可對應一個(k-1)次多項式K(x)，r位冗余位可對應于一個(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，由信息位產生冗余碼的編碼過程就是求余數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的系數為1)來實現，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成的循環冗余校驗碼發送到接收方，接收方在接收到循環冗余碼后，將其除以生成多項式G(x)，若余數為0，則表示傳遞正確，否則就說明有錯[3]。
2 CRC誤碼
在EGFC16調試過程中，單板的FE電口在SmartBits發送業務內容為8-0-s、8-f-s，在這種長連0長連1業務的情況下，會出現CRC誤碼。單板在啟動后，如果接收的業務內容為8-0-s、8-f-s或者其他業務時，不會出現CRC誤碼。在出現誤碼的情況下，將業務內容改成不造成CRC誤碼的業務也無濟于事，CRC誤碼會一直存在，除非將單板重新冷復位。
CRC誤碼在上述“8-0-s、8-f-s”業務的情況下并不是馬上出現CRC誤碼，而是需要經過一定的時間。開始的時候出現的很少，只有一兩個，但是很快將會發生雪崩效應，出現大量的CRC誤碼，業務可能因此而中斷。
上述是對CRC誤碼現象的描述，經過長期的分析定位，通過實驗得出的數據曲線，可以看出，這從一個側面證明CRC誤碼一方面與電源的穩定性有關系，另一方面和信號回流也有關系，而且與信號回流的關系更大，反而電源的不穩定性對其影響并不大。
本文著重從信號回流的角度對CRC誤碼現象進行分析與解決。
3 信號回流的基礎知識
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的電阻，其阻值接近無限大；而傳輸線靜態電阻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，在傳輸線內部是不會發生信號反射的，而在傳輸線的兩端就會發生。
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生全反射，反射波一直傳回源端。這時，如果源端內阻與傳輸線阻抗不匹配，在源端會發生二次反射，如此反復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路，增加了彼此間的干擾。DDR有64根數據線和幾十根地址線，必然會造成較大的串擾，從而很容易導致CRC誤碼現象發生。
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生全反射，反射波一直傳回源端。這時，如果源端內阻與傳輸線阻抗不匹配，在源端會發生二次反射，如此反復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阻(一般情況下，源端內阻按照20 Ω左右來考慮，當然不同的芯片的管腳內阻是不同的)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的內部結構圖如圖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數據線的信號波形，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(等效串聯電阻)正好就相當于一個串聯在電容里面的電阻，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，而且這種并聯的方式本身就減小了ESR，更有利于信號的濾波。
根據上面的思想，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路，也就減小了彼此間的干擾，減少了DDR數據線和地址線間的串擾，從而解決了CRC的誤碼問題。
針對EGFC16實踐調試過程中出現的CRC誤碼現象，本文先對CRC誤碼現象進行了全面的描述，由于實驗證實了這種CRC誤碼現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。總結發現，現實生活中大多數電路問題都與信號回流有關系，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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[2] 瞿中告，徐問之．單片機通信中的CRC算法[J]．微機發展，2001(4)：74-76.
[3] WILLIAMS R. A painless guide to CRC error detection Algorithms[DB/OL]. [2008-10]， http：//www.repairfaq.org/filipg/.
[4] 冼志妙，朱雪花，襲著科．高速PCB的信號完整性分析及應用[J]．桂林工學院學報，2006(2)：286-290.
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