基于CRC机制的信号回流检测方法与误码分析

摘  要： 针对实验过程中出现的CRC误码，主要利用信号回流检测方法对原理图进行分析和改进，增加了上拉电容以缩短回流路径使其到地，减少了彼此间的干扰，从而解决CRC误码。实验结果表明，在单板的宽广处多放一些小电容到地，能给信号增加一个较好的回流路径，对于稳定电源去除噪声十分有益。
关键词： 计算机网络通信；误码；CRC；信号回流
   　在计算机网络通信和系统工作过程中，由于信道上存在的各种复杂因素(如冲击噪声、脉冲噪声、热噪声、串音和传输质量等)的影响，信息在形成、存取、传送过程中往往受到不同程度的干扰，严重时会造成误码，即接收端收到的信息与发送端发送的信息不一致，以致阻断通信[1]。因此，应该在接收端检查所接收的数据是否正确。可采用多种检测方法，其中，循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Check)是目前在计算机网络通信及仪表数据通信等方面应用最为广泛的一种校验编码方法，是一种强有力的检测手段。
　CRC是一种能力较强的检错、纠错码，并且实现编码和检码的电路比较简单，除了各种嵌入式仪表、变频器等设备，还有一些数字型传感器的输出数据也提供CRC码，如数字温度传感器DS18B20、集成温湿度采集芯片SHT11等。此外，人们还将该技术用于计算机网络通信和数据通信系统中，收到了令人满意的效果[2]。
本文结合实例，从信号回流的角度分析和改进原理图，从而解决了CRC误码。
1 CRC检验原理
　CRC是分组线性码的分支，其主要应用是二元码组。CRC的基本思想是利用线性编码理论，在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的监督码(即CRC码)r位，并附在信息后边，构成一个新的二进制码序列数共(k+r)位，最后发送出去。在接收端，则根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。若不正确，则说明数据信息在传输过程中有误码，通常通过发送端重传来校正错误，直至传送正确为止。
　任何一个由二进制位串组成的代码可以和一个只含有0和1两个系数的多项式建立一对一的关系。例如一个二进制代码1011101，其对应的多项式为x6+x4+x3 +x2+1。k为要发送的信息位位数，可对应一个(k-1)次多项式K(x)，r位冗余位可对应于一个(r-1)次多项式R(x)，由k位信息位后面加上r位冗余位组成的n=k+r位码字则对应于一个(n-1)次多项式：T(x)=xr×K(x)+R(x)。
　在CRC校验编码时，由信息位产生冗余码的编码过程就是求余数R(x)的过程，CRC码中通过找到一个特定的r次多项式G(x)(最高项xr的系数为1)来实现，用G(x)去除xr×K(x)，得到的余式就是R(x)。
CRC校验是把要传送的信息位串加上校验和构成的循环冗余校验码发送到接收方，接收方在接收到循环冗余码后，将其除以生成多项式G(x)，若余数为0，则表示传递正确，否则就说明有错[3]。
2 CRC误码
　在EGFC16调试过程中，单板的FE电口在SmartBits发送业务内容为8-0-s、8-f-s，在这种长连0长连1业务的情况下，会出现CRC误码。单板在启动后，如果接收的业务内容为8-0-s、8-f-s或者其他业务时，不会出现CRC误码。在出现误码的情况下，将业务内容改成不造成CRC误码的业务也无济于事，CRC误码会一直存在，除非将单板重新冷复位。
　CRC误码在上述“8-0-s、8-f-s”业务的情况下并不是马上出现CRC误码，而是需要经过一定的时间。开始的时候出现的很少，只有一两个，但是很快将会发生雪崩效应，出现大量的CRC误码，业务可能因此而中断。
上述是对CRC误码现象的描述，经过长期的分析定位，通过实验得出的数据曲线，可以看出，这从一个侧面证明CRC误码一方面与电源的稳定性有关系，另一方面和信号回流也有关系，而且与信号回流的关系更大，反而电源的不稳定性对其影响并不大。
　本文着重从信号回流的角度对CRC误码现象进行分析与解决。
3 信号回流的基础知识
3.1 传输线
　传输线等效模型如图1所示，点P是传输线上任意点，作为虚拟分界面将传输线分开，从右往左看过去，R1、L1、C1分别是线路的等效电阻、电感、电容。R2是漏电流存在的情况下所体现的电阻，其阻值接近无限大；而传输线静态电阻R1很小，也可忽略不计。这种情况下，传输线特征阻抗可以简化为：Z0=(L1/C1)1/2，这是无损情况下的特征阻抗公式。
   
   　在P点，从A往B看，Z02相当于负载；从B往A看，Z01相当于信号源的内阻。由于Z01=Z02，因此在P点没有反射，也就是在同一根传输线上，只有特征阻抗没有变化，那么就不会有反射。如果在PCB布板的过程中，传输线在某一处阻抗有变化，那么就会有反射的产生[4]。
3.2 信号反射
　由上可知，对于传输线来说，如果负载阻抗与信号源内阻的阻抗相等，则在该点不会反射，即可认为线路是匹配的。因此，在传输线内部是不会发生信号反射的，而在传输线的两端就会发生。
在接收端，以TTL电路为例，接收端是晶体管的基极，而基极电流是极其微弱的，因此，传输线的末端等效为一个无穷大的电阻RL。也就是说，负载电阻与传输线特征阻抗不匹配，信号在这个点将会发生全反射，反射波一直传回源端。这时，如果源端内阻与传输线阻抗不匹配，在源端会发生二次反射，如此反复n次反射。如果这个n次反射信号叠加到原先的信号上，将导致信号劣化[5]。
3.3 信号回流
　任何一个信号最终都要形成一个闭环回路，如图2所示。
对于一个交流信号来说，信号的回流总是选择阻抗最小的回路作为回流，如果信号与回流信号所形成的面积越小，那么干扰和抗干扰能力就越好[6]。因为当回路面积越小，回路所能接收到的干扰就越少，同时向外辐射的就会越小。
   
   
4 CRC误码电路原理图的分析与改进