ทำไมการส่งข้อมูลดิจิตอลแบบอนุกรมใช้ทุกที่ เช่น SATA, PCIe, USB

ในขณะที่ดูที่ SATA, PCIe, USB, SD UHS-II มันทำให้ฉันรู้สึกว่ามันเหมือนกันทั้งหมด: ดิจิตอลอนุกรมบิตสตรีมส่งโดยใช้คู่ที่แตกต่างกัน
ทำไมเป็นเช่นนั้น ทำไมนี่จึงกลายเป็นมาตรฐาน
เหตุใดจึงไม่มีโปรโตคอลการสื่อสารระบบที่แพร่หลายซึ่งใช้วิธีการมอดูเลตขั้นสูงบางอย่างเพื่อให้ได้อัตราสัญลักษณ์ที่ดีขึ้น ฉันพลาดอะไรไปรึเปล่า? นี่ไม่ใช่คำถามของ "อนุกรม vs ขนาน" แต่เป็นคำถามของ "สัญญาณดิจิตอลเทียบกับแอนะล็อกโมดูเลต"

เหตุใดจึงไม่มีโปรโตคอลการสื่อสารระบบที่แพร่หลายซึ่งใช้วิธีการมอดูเลตขั้นสูงบางอย่างเพื่อให้ได้อัตราสัญลักษณ์ที่ดีขึ้น

หากการเชื่อมต่อทองแดงพื้นฐานระหว่างสองจุดรองรับอัตราบิตดิจิตอลที่เกินกว่าอัตราข้อมูลที่จำเป็นต้องส่งโดย "แอปพลิเคชัน" เหตุใดจึงต้องกังวลกับสิ่งอื่นนอกเหนือจากการส่งสัญญาณความเร็วสูงแบบมาตรฐานต่างกัน?

การใช้ชุดรูปแบบการมอดูเลตขั้นสูงมักจะทำเมื่อ "แชนเนล" มีแบนด์วิดท์ที่ จำกัด มากกว่าทองแดงหรือไฟเบอร์

มีสองเหตุผลหลักสำหรับการเพิ่มขึ้นของอนุกรม

1) เป็นไปได้ ทรานซิสเตอร์ราคาต่ำสามารถจัดการการสลับ GHz มาเป็นสิบปีแล้วนานพอที่ความสามารถในการใช้งานและกลายเป็นมาตรฐาน

2) มันจำเป็น หากคุณต้องการเปลี่ยนข้อมูลความเร็วสูงมากเกินสองสามนิ้ว ระยะนี้เริ่มต้นที่จะแยกออก mobo ไปยังลิงก์ PCI card และออกกฎ mobo ไปยังฮาร์ดดิสก์หรือ mobo / settopbox เพื่อแสดงการเชื่อมต่อ

เหตุผลของเรื่องนี้คือความเบ้ หากคุณส่งสัญญาณขนานหลายขนานไปกับสายเคเบิลพวกเขาจะต้องมาถึงภายในเสี้ยววินาทีเล็กน้อยของช่วงเวลาเดียวกัน สิ่งนี้ทำให้อัตรานาฬิกาลดลงดังนั้นความกว้างของสายเคเบิลจึงต้องเพิ่มขึ้น เมื่ออัตราการส่งข้อมูลเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ โอกาสในการเพิ่มอัตราในอนาคตคือความกว้าง ATA ที่ไม่มีอยู่จริงสองเท่าหรือสี่เท่า

วิธีที่จะสังหารอสูรเบ้ก็คือการไปต่อเนื่อง มีการซิงโครไนซ์หนึ่งบรรทัดเสมอกับตัวเองไม่มีสิ่งใดที่จะเบ้ได้ บรรทัดนำข้อมูลที่มีการตอกบัตรด้วยตนเอง นั่นคือใช้รูปแบบการเข้ารหัสข้อมูล (มักจะ 8b / 10b บางครั้งสูงกว่า) ที่ให้ความหนาแน่นการเปลี่ยนแปลงขั้นต่ำที่รับประกันซึ่งช่วยให้การสกัดนาฬิกา

โอกาสในการเพิ่มอัตราข้อมูลหรือระยะทางในอนาคตนั้นยอดเยี่ยม แต่ละรุ่นนำทรานซิสเตอร์ได้เร็วขึ้นและมีประสบการณ์มากขึ้นในการสร้างสื่อกลาง เราเห็นว่าการเล่นกับ SATA นั้นเริ่มต้นที่ 1.5Gb / s จากนั้นเคลื่อนที่ผ่าน 3 และตอนนี้เป็น 6Gb / s แม้แต่สายเคเบิลราคาถูกก็สามารถให้ความต้านทานที่สม่ำเสมอและการสูญเสียที่สมเหตุสมผลและอีควอไลเซอร์ถูกสร้างขึ้นในอินเตอร์เฟสซิลิคอนเพื่อจัดการกับการสูญเสียที่ขึ้นกับความถี่ ใยแก้วนำแสงสามารถใช้งานได้นานมาก

สำหรับอัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้นลิงค์อนุกรมหลายรายการสามารถดำเนินการควบคู่กันได้ สิ่งนี้ไม่เหมือนกับการนำตัวนำแบบขนานซึ่งจะต้องถูกจับคู่ในเวลาน้อยกว่ารอบสัญญาณนาฬิกา เลนต่อเนื่องเหล่านี้จำเป็นต้องจับคู่กับภายในกรอบข้อมูลระดับสูงเท่านั้นซึ่งสามารถยาวหรือยาวได้

แน่นอนความได้เปรียบในความกว้างของข้อมูลไม่เพียง แต่นำไปใช้กับสายเคเบิลและตัวเชื่อมต่อ อนุกรมยังเป็นประโยชน์ต่อพื้นที่บอร์ด PCB ระหว่างตัวเชื่อมต่อและชิป, pinout ของชิปและพื้นที่ของซิลิคอนชิพ

ฉันมีมุมส่วนตัวในเรื่องนี้ ในฐานะนักออกแบบที่ทำงานเกี่ยวกับซอฟต์แวร์กำหนดคลื่นวิทยุ (SDR) จากยุค 90 เป็นต้นไปฉันเคยฝึกฝนที่คนอย่าง Analog Devices และ Xilinx (และ บริษัท ADC และ FPGA อื่น ๆ ทั้งหมด) (พวกเขาจะไปเยี่ยมเยียนและถามเราเป็นครั้งคราว) ทำให้ฉันเรียกใช้การเชื่อมต่อแบบขนานที่แตกต่างกันมากระหว่าง ADC หลายแห่งที่มีความถี่ 100MHz และ FPGA เมื่อเราเพิ่งเริ่มเห็นว่า SATA เกิดขึ้นเพื่อแทนที่ ATA ในที่สุดเราก็มี JESD204x ดังนั้นตอนนี้เราสามารถเชื่อมต่อตัวแปลงและ FPGA ด้วยสายอนุกรมเพียงไม่กี่ตัว

หากคุณต้องการตัวอย่างของสิ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่แตกต่างกันดูที่ 1000BASE-T gigabit Ethernet ที่ใช้สายเคเบิลแบบขนานและการเข้ารหัสสัญญาณที่ไม่สำคัญ

ส่วนใหญ่คนใช้รถเมล์อนุกรมเพราะง่าย รถโดยสารประจำทางแบบขนานใช้สายเคเบิลจำนวนมากและประสบกับสัญญาณเอียงที่อัตราข้อมูลสูงผ่านสายเคเบิลยาว

วิธีเพิ่มคำตอบที่ดีอื่น ๆ :

ปัญหาที่ระบุไว้ในคำตอบอื่น ๆ (ที่สะดุดตาที่สุดเอียงระหว่างสัญญาณคู่ขนานและค่าใช้จ่ายของสายไฟพิเศษในสายเคเบิล) เพิ่มขึ้นเมื่อระยะทางของสัญญาณเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงมีระยะทางที่อนุกรมจะดีกว่าขนานและระยะทางนั้นลดลงเมื่ออัตราข้อมูลเพิ่มขึ้น

การถ่ายโอนข้อมูลแบบขนานยังคงเกิดขึ้น: ด้านในของชิปและสัญญาณส่วนใหญ่ภายในแผงวงจร อย่างไรก็ตามระยะทางที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ต่อพ่วงภายนอก - และแม้กระทั่งโดยไดรฟ์ภายใน - ตอนนี้ไกลเกินไปและเร็วเกินไปสำหรับการเชื่อมต่อแบบขนานเพื่อให้สามารถใช้งานได้จริง ดังนั้นสัญญาณที่ผู้ใช้ปลายทางจะได้สัมผัสเป็นส่วนใหญ่

เทคนิคการมอดูเลตขั้นสูงจะทำให้คุณต้องส่งและรับสัญญาณอะนาล็อก ADC และ DAC ที่ทำงานด้วยความเร็วหลายร้อย MHz มีแนวโน้มที่จะมีราคาแพงและใช้พลังงานค่อนข้างน้อย การประมวลผลสัญญาณที่จำเป็นสำหรับการถอดรหัสยังมีค่าใช้จ่ายในแง่ของซิลิกอนและพลังงาน

มันถูกกว่าเพียงแค่การสร้างสื่อการสื่อสารที่ดีกว่าซึ่งสามารถรองรับสัญญาณไบนารีได้

ทำไมสตรีมบิตอนุกรมกลายเป็นเรื่องธรรมดามาก

การใช้ลิงค์อนุกรมมีข้อดีที่จะลดขนาดทางกายภาพของการเชื่อมต่อ สถาปัตยกรรมวงจรรวมที่ทันสมัยมีหมุดมากมายที่พวกเขาสร้างความต้องการที่แข็งแกร่งเพื่อลดความต้องการเชื่อมต่อโครงข่ายทางกายภาพในการออกแบบของพวกเขา สิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนาวงจรที่ทำงานด้วยความเร็วสูงที่อินเตอร์เฟสของวงจรเหล่านี้โดยใช้โปรโตคอลอนุกรม ด้วยเหตุผลเดียวกันมันเป็นเรื่องธรรมดาที่จะลดการเชื่อมต่อโครงข่ายทางกายภาพให้น้อยที่สุดในส่วนอื่นของดาต้าลิงค์

ความต้องการเริ่มแรกสำหรับเทคโนโลยีประเภทนี้อาจมีต้นกำเนิดในการออกแบบการส่งผ่านข้อมูลใยแก้วนำแสงเช่นกัน

เมื่อเทคโนโลยีเพื่อรองรับการเชื่อมโยงความเร็วสูงกลายเป็นเรื่องธรรมดามันเป็นเรื่องธรรมดาที่จะใช้มันในหลาย ๆ แห่งเพราะขนาดทางกายภาพของการเชื่อมต่อแบบอนุกรมนั้นเล็กกว่าการเชื่อมต่อแบบขนานมาก

เหตุใดจึงไม่มีโปรโตคอลการสื่อสารของระบบที่แพร่หลายซึ่งใช้วิธีการปรับขั้นสูงบางอย่างเพื่อให้ได้อัตราสัญลักษณ์ที่ดีขึ้น

ในระดับการเข้ารหัสรูปแบบการเข้ารหัสสำหรับการสื่อสารแบบดิจิตอลสามารถจะเป็นง่ายๆเป็นNRZ (ไม่กลับไปเป็นศูนย์) , เล็กน้อยที่ซับซ้อนมากขึ้นสายรหัส (เช่น 8B / 10B)หรือความซับซ้อนมากขึ้นเช่นQAM (พื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสกว้าง Modulation)

ความซับซ้อนเพิ่มต้นทุน แต่ตัวเลือกก็ขึ้นอยู่กับปัจจัยที่ท้ายที่สุดก็ขึ้นอยู่กับทฤษฎีสารสนเทศและขีด จำกัด ของความสามารถในการเชื่อมโยง กฎของแชนนอนจากทฤษฎีบทแชนนอน - ฮาร์ทลี่ย์อธิบายความจุสูงสุดของช่อง (คิดว่าเป็น "การเชื่อมต่อ" หรือ "ลิงก์"):

ความจุสูงสุดเป็นบิต / วินาที = แบนด์วิดท์ * Log2 (1 + สัญญาณ / สัญญาณรบกวน)

สำหรับลิงก์วิทยุ (เช่นLTEหรือ WiFi) แบนด์วิดท์จะถูก จำกัด โดยกฎระเบียบทางกฎหมายบ่อยครั้ง ในกรณีดังกล่าว QAM และโปรโตคอลที่ซับซ้อนในทำนองเดียวกันอาจถูกใช้เพื่อขจัดอัตราข้อมูลสูงสุดที่เป็นไปได้ ในกรณีเหล่านี้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนมักจะค่อนข้างต่ำ (10 ถึง 100 หรือเป็นเดซิเบล 10 ถึง 20 เดซิเบล) สามารถไปได้สูงมากก่อนถึงขีด จำกัด สูงสุดภายใต้แบนด์วิดท์และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่กำหนด

สำหรับสายเชื่อมโยงแบนด์วิดท์ไม่ได้ถูกควบคุมโดยสิ่งใดนอกจากการใช้งานจริง การเชื่อมโยงสายไฟอาจมีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูงมากมากกว่า 1,000 (30 เดซิเบล) ตามที่ระบุไว้ในคำตอบอื่น ๆ แบนด์วิดท์ถูก จำกัด โดยการออกแบบของทรานซิสเตอร์ขับลวดและรับสัญญาณและในการออกแบบของสายเอง (สายส่ง)

เมื่อแบนด์วิดธ์กลายเป็นปัจจัย จำกัด แต่อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงไม่ได้นักออกแบบหาวิธีอื่นในการเพิ่มอัตราการส่งข้อมูล มันเป็นการตัดสินใจทางเศรษฐกิจไม่ว่าจะเป็นรูปแบบการเข้ารหัสที่ซับซ้อนมากขึ้นหรือไปที่สายมากขึ้น:

คุณจะเห็นโพรโทคอลอนุกรม / ขนานที่ใช้เมื่อสายเดี่ยวยังช้าเกินไป PCI-Expressทำเช่นนี้เพื่อเอาชนะข้อ จำกัด แบนด์วิดท์ของฮาร์ดแวร์โดยใช้หลายเลน

ในการส่งผ่านเส้นใยพวกเขาไม่จำเป็นต้องเพิ่มเส้นใยเพิ่มเติม (แม้ว่าพวกเขาอาจใช้อื่น ๆ ถ้าพวกเขาอยู่ในสถานที่และไม่ได้ใช้) สามารถใช้มัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งคลื่นได้ โดยทั่วไปจะทำเพื่อให้มีช่องสัญญาณคู่ขนานที่เป็นอิสระหลายช่องทางและปัญหาความเบ้ที่กล่าวถึงในคำตอบอื่น ๆ ไม่ได้เกี่ยวข้องกับช่องทางอิสระ

ใช้รถบรรทุกกึ่งรถบรรทุกสี่คันพร้อมบรรทุกสินค้า สี่เลนต่อทางหลวงด้านข้าง เพื่อให้รถบรรทุกสามารถขนถ่ายบรรทุกสินค้าได้อย่างประสบความสำเร็จพวกเขาจะต้องอยู่เคียงข้างกันอย่างสมบูรณ์แบบหนึ่งไม่สามารถอยู่ข้างหน้าหรือข้างหลังคนอื่นได้มากกว่าหนึ่งนิ้วให้พูด เนินเขาโค้งไม่สำคัญ แตกต่างกันมากเกินไปและความล้มเหลวทั้งหมด

แต่ให้พวกเขาใช้เลนเดียวและระยะห่างระหว่างพวกเขาอาจแตกต่างกันไป ในขณะที่เป็นจริงที่เป็นเส้นตรงจะใช้เวลามากกว่าสี่เท่าระยะทางจากด้านหน้าของรถบรรทุกคันแรกไปทางด้านหลังของคนสุดท้ายที่จะย้ายน้ำหนักบรรทุก แต่พวกเขาไม่จำเป็นต้องเว้นระยะห่างอย่างสมบูรณ์ ภายในความยาวของรถบรรทุกคันหนึ่งมันจะต้องมีห้องโดยสารและน้ำหนักบรรทุกและความยาวของน้ำหนักบรรทุกเพื่อให้อยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องและเว้นระยะ

พวกเขาไปไกลถึงขนานขนาน pcie เครือข่าย ฯลฯ แต่ในขณะที่เป็นเทคนิคหลายเส้นทางข้อมูลแยกพวกเขาจะไม่ขนานไปกับที่พวกเขาต้องออกไปถึงในเวลาเดียวกันโดยใช้รถบรรทุกเปรียบเทียบรถบรรทุกสี่คัน สามารถขับบนเลนสี่เลนขนานกันได้ แต่อาจแตกต่างกันไปรถบรรทุกถูกทำเครื่องหมายด้วยเลนที่พวกเขาเข้ามาเพื่อที่ว่าเมื่อพวกเขามาถึงที่ปลายอีกด้านหนึ่งเพย์โหลดสามารถรวมกลับเข้าไปในชุดข้อมูลเดิมได้ และ / หรือแต่ละช่องทางสามารถเป็นหนึ่งชุดข้อมูลตามลำดับและมีช่องทางมากขึ้นคุณสามารถย้ายชุดข้อมูลเพิ่มเติมได้ในครั้งเดียว

ในฐานะที่เป็นนอกเหนือไปจากความคิดเห็นของDmitry Grigoryev

การส่งสัญญาณแบบอะนาล็อกเป็นข้อผิดพลาดได้ง่ายกว่าการส่งสัญญาณดิจิตอล ยกตัวอย่างเช่นการส่งข้อมูลแบบอนุกรมแบบดิจิตอลมีสัญญาณเตือนที่ด้านข้างซึ่งสัญญาณอนาล็อกจะลอยระหว่าง 0V และ VDD การรบกวนจึงยากที่จะตรวจจับ หนึ่งสามารถนำมาพิจารณาและใช้สัญญาณที่แตกต่างเช่นเดียวกับในเสียง

แต่คุณจะพบกับความเร็วนั้นเทียบกับความแม่นยำในการแลกเปลี่ยน DACs / ADC หากคุณต้องใช้ระบบดิจิทัลที่พูดคุยกันจะทำให้การใช้การส่งสัญญาณดิจิทัลเป็นเรื่องที่สมเหตุสมผลยิ่งขึ้นเนื่องจากคุณไม่จำเป็นต้องเสียเวลาในการแปล DA-AD

อย่างไรก็ตามถ้าคุณมีคอมพิวเตอร์แบบอนาล็อกที่ทำงานบนแรงดันไฟฟ้าแบบอะนาล็อกยังคงมีอยู่รอบตัวพวกเขาดูเหมือน synth synth แบบแยกส่วนโดยทั่วไปสิ่งต่าง ๆ และโดยทั่วไปคุณสามารถสร้างคอมพิวเตอร์แบบอะนาล็อกสำหรับงานเฉพาะเท่านั้น การนำเสนอตลกในภาษาเยอรมันเกี่ยวกับการคำนวณแบบอนาล็อก

พูดคุยเกี่ยวกับ synths แบบแยกส่วนอะนาล็อกพวกเขายังมีคอมพิวเตอร์แบบอะนาล็อกบางชนิดโดยเฉพาะอย่างยิ่งการออกแบบเพื่อทำการ callculations ในการเปลี่ยนสัญญาณ

ดังนั้นจึงมีการส่งสัญญาณอนาล็อกในการคำนวณ แต่ จำกัด เฉพาะเขตข้อมูลที่เฉพาะเจาะจงมาก